Entwicklung einer neuen Versuchstechnik zur Bestimmung der ... · unconfined compression test can not be recommended to classify natural undisturbed soil samples according to DIN

Entwicklung einer neuenVersuchstechnik zur

Bestimmung der Grenzezwischen halbfestem

und festem Boden

Berichte derBundesanstalt für Straßenwesen

Straßenbau Heft S 80

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80

ISSN 0943-9323ISBN 978-3-95606-010-6

Entwicklung einer neuenVersuchstechnik zur

Bestimmung der Grenzezwischen halbfestem

und festem Boden

Berichte derBundesanstalt für Straßenwesen

Straßenbau Heft S 80

von

Norbert VogtEmanuel Birle

Dirk HeyerAnita Etz

Lehrstuhl und Prüfamt für Grundbau, Bodenmechanik,Felsmechanik und Tunnelbau

Technische Universität München

Die Bundesanstalt für Straßenwesenveröffentlicht ihre Arbeits- und Forschungs-ergebnisse in der Schriftenreihe Berichte derBundesanstalt für Straßenwesen. Die Reihebesteht aus folgenden Unterreihen:

A -AllgemeinesB -Brücken- und IngenieurbauF -FahrzeugtechnikM-Mensch und SicherheitS -StraßenbauV -Verkehrstechnik

Es wird darauf hingewiesen, dass die unterdem Namen der Verfasser veröffentlichtenBerichte nicht in jedem Fall die Ansicht desHerausgebers wiedergeben.

Nachdruck und photomechanische Wieder-gabe, auch auszugsweise, nur mit Genehmi-gung der Bundesanstalt für Straßenwesen,Stabsstelle Presse und Öffentlichkeitsarbeit.

Die Hefte der Schriftenreihe Berichte derBundesanstalt für Straßenwesen könnendirekt bei der Carl Schünemann Verlag GmbH,Zweite Schlachtpforte 7, D-28195 Bremen,Telefon: (04 21) 3 69 03 - 53, bezogen werden.

Über die Forschungsergebnisse und ihreVeröffentlichungen wird in der Regel in Kurzform imInformationsdienst Forschung kompakt berichtet.Dieser Dienst wird kostenlos angeboten;Interessenten wenden sich bitte an dieBundesanstalt für Straßenwesen,Stabsstelle Presse und Öffentlichkeitsarbeit.

Ab dem Jahrgang 2003 stehen die Berichte der BAStzum Teil als kostenfreier Download im elektronischenBASt-Archiv ELBA zur Verfügung.http://bast.opus.hbz-nrw.de/benutzung.php?la=de

Impressum

Bericht zum Forschungsprojekt FE 05/146/2007/CGBEntwicklung einer neuen Versuchstechnik zur Bestimmungder Grenze zwischen halbfestem und festem Boden

FachbetreuungMichael Bürger

HerausgeberBundesanstalt für StraßenwesenBrüderstraße 53, D-51427 Bergisch GladbachTelefon: (0 22 04) 43 - 0Telefax: (0 22 04) 43 - 674

RedaktionStabsstelle Presse und Öffentlichkeitsarbeit

Druck und VerlagFachverlag NW in derCarl Schünemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 7, D-28195 BremenTelefon: (04 21) 3 69 03 - 53Telefax: (04 21) 3 69 03 - 48www.schuenemann-verlag.de

ISSN 0943-9323ISBN 978-3-95606-010-6

Bergisch Gladbach, Juni 2013

S 80

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Rechteck

Kurzfassung – Abstract

Entwicklung einer neuen Versuchstechnik zurBestimmung der Grenze zwischen halbfestemund festem Boden

Im Hinblick auf das Lösen werden Boden und Felsnach DIN 18300 beschrieben. Dabei werden bindi-ge Bodenarten in Abhängigkeit von ihrer Konsis -tenz in unterschiedliche Bodenklassen unterteilt.Bodenarten von leichter bis mittlerer Plastizität undweicher bis halbfester Konsistenz werden der Bo-denklasse 4 zugeordnet. Ausgeprägt plastischeTone von weicher bis halbfester Konsistenz gehö-ren der Bodenklasse 5 an. Die Grenze zwischenhalbfester und fester Konsis tenz ist dabei über dieSchrumpfgrenze definiert, die nach DIN 18122-2bestimmt wird. Bodenarten von fester Konsistenzsind der Bodenklasse 6 zuzuordnen.

Da vor allem bei leichtplastischen Böden der Was-sergehalt an der Schrumpfgrenze häufig oberhalbdes Wassergehaltes an der Ausrollgrenze liegt,kommt es bei der Einordnung bindiger Böden in dieBodenklassen der DIN 18300 häufig zu Unklarhei-ten, was zu Streitfällen zwischen Auftragnehmerund Auftraggeber führen kann.

Das Ziel des Forschungsvorhabens war es des-halb, ein geeigneteres Kriterium zur Einordnunghalbfester und fester Böden in die Bodenklassender DIN 18300 zu erarbeiten und dazu eine Ver-suchstechnik zu entwickeln. In einem ersten Schrittwurde das Schrumpfverhalten bindiger Böden ana-lysiert und die Versuchstechnik zur Bestimmungder Schrumpfgrenze untersucht. Es hat sich ge-zeigt, dass bei Böden mit einer Plastizitätszahl IP< 18 % der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze inder Regel oberhalb des Wassergehalts an der Aus-rollgrenze liegt. Anhand von Untersuchungen zumSchrumpfverhalten an Proben, die bei unterschied-lichen Spannungen vorbelastet worden waren,wurde außerdem festgestellt, dass der Wasserge-halt an der Schrumpfgrenze mit zunehmender Vorbelastung abnimmt. Diese Untersuchungenhaben damit bestätigt, dass anhand der nach DIN18122-2 ermittelten Schrumpfgrenze keine eindeu-tige Zuordnung in die Bodenklassen 4 und 6 bzw. 5und 6 möglich ist.

Deshalb wurden im Folgenden Untersuchungen zuanderen Kriterien zur Unterscheidung zwischenhalbfesten und festen Böden durchgeführt. Hierzu

wurden zunächst Untersuchungen zur einaxialenDruckfestigkeit durchgeführt. Da das Herausarbei-ten von ungestörten Probekörpern im relevantenKonsistenzbereich aber mit großen Schwierigkeitenverbunden ist, kann die Verwendung der einaxialenDruckfestigkeit zur Einordnung der Bodenklassennicht empfohlen werden.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurdendaher im weiteren Verlauf Untersuchungen zueinem einfach durchzuführenden Versuch durchge-führt, der eine Unterscheidung von halbfestem undfestem Boden auf Grundlage der Festigkeit ermög-licht. Dazu wurden an aufbereiteten Böden Ein-dringversuche mit einer Proctornadel und einer Ko-nusspitze durchgeführt. Die Versuchsergebnissebelegen, dass ein klarer Zusammenhang zwischender Konsistenz und dem Eindringwiderstand be-steht und dass eine Bewertung der Festigkeit mitHilfe dieser Versuche prinzipiell möglich ist. ZurFestlegung konkreter Werte für eine Unterschei-dung der Bodenklassen 4, 5 und 6 gemäß DIN18300 sind jedoch weitere Untersuchungen erfor-derlich.

Development of a new experimental techniqueto determine the limit between semi-solid andsolid soils

A classification system for the use of soil and rockin earthworks has been defined in DIN 18300.Therein different classes are described to organizesoil and rock. Cohesive soils are classified in regardto their consistency and plasticity. Soils of low andmedium plasticity and soft to semi-solid consistencyare assigned to soil class 4. Soils of high plasticityand soft to semi-solid consistency are assigned tosoil class 5. The limit between semi-solid and solidconsistency is defined by the shrinkage limit (DIN18122-2). Cohesive soils of solid consistency areassigned to soil class 6.

The water content at the shrinkage limit of soils withlow plasticity is frequently above the water contentat the plastic limit. Therefore, ambiguities in respectto soil classification according to DIN 18300emerge.

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S80-Dokument_graue Reihe 26.04.13 12:07 Seite 3

The goal of the research is to develop a criterion toclassify cohesive soils of semi-solid and solidconsistency and assign it to DIN 18300. If needed anew experimental technique should be designed.

At fist, the shrinkage behaviour of cohesive soilswas studied and different methods to determine theshrinkage limit were tested. It could be displayed,that for cohesive soils with plasticity index IP < 18%the water content at the shrinkage limit is above thewater content at the plastic limit. Furthermore itcould be shown, that the shrinkage limit decreaseswith an increase of the preload of the soil samples.The results showed that the shrinkage limitaccording to DIN 18122-2 is inappropriate for theclassification of soil samples according to DIN18300.

Hence, in the next step it was investigated if soils ofsemi-solid and solid consistency could be classifiedaccording to their strength. At first, unconfinedcompression test were performed. For undisturbedsoil samples only few results could be gained ashalf of the samples could not bee carved out orhave cracked during preparation. Hence, theunconfined compression test can not berecommended to classify natural undisturbed soilsamples according to DIN 18300.

Thus, simple penetration tests with a proctor needleand cone end were performed. The penetration rateand maximum penetration depth have been keptconstant for all tests. For the determination of theinfluence of the consistency on the soil resistancethe tests have been conducted on soil samples ofdifferent water contents. The penetration tests showa correlation between consistency and penetrationresistance of the proctor needle and the cone end.In principle it is possible to use the test to evaluatethe stiffness of cohesive soil samples. To defineprecise criteria for a classification system moretests have to be performed.

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Inhalt

Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Forschungskonzept . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Forschungskonzeption . . . . . . . . . . . . . 9

3 Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . 11

3.1 Schrumpfgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2 Schrumpfmaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3 Primärschrumpfen . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.4 Restschrumpfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4 Stand der Wissenschaft und Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.1 Technische Regelwerke . . . . . . . . . . . . 12

4.1.1 Bodenklassifizierung – Übersicht . . . . . 12

4.1.2 DIN 18122-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.1.3 BS 1377 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.1.4 ZTV E StB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.2 Schrumpfverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.2.1 Potenzialtheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.2.2 Saugspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.3 Schrumpfgrenze nach boden-mechanischer Theorie . . . . . . . . . . . . . 20

5 Methoden der zerstörungsfreien Volumenbestimmung . . . . . . . . . . . . . 21

5.1 Bestimmung des Volumens über digitale Bildträger . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.2 Bestimmung der vertikalen Verformung über Messuhren . . . . . . . . 21

5.3 Volumenbestimmung mit Hilfe eines Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.4 Volumenbestimmung mit Hilfe der Ballonmethode . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.5 Kontinuierliche Volumenbestimmung überVerdrängung in Polymerflüssigkeit . . . . 23

h

5.6 Kontinuierliche Volumenbestimmung mitEinschweißtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 23

6 Klassifizierende Laborversuche . . . . 23

6.1 Vorgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

6.2 Probennahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

6.3 Bodenklassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . 24

6.3.1 Zustandsgrenzen und Plastizität . . . . . 24

6.3.2 Korngrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . 24

6.3.3 Korndichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

6.3.4 Wasseraufnahmevermögen nachENSLIN/NEFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6.3.5 Aktivitätszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6.3.6 Mineralogische Zusammensetzung . . . 28

6.4 Rückschlüsse aus den Standard-versuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

7 Schrumpfgrenze und Schrumpfverhalten . . . . . . . . . . . . . . . 29

7.1 Untersuchungen zur Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2 und zum Schrumpf-maß nach BS 1377 . . . . . . . . . . . . . . . . 29

7.1.1 Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2 . . . 29

7.1.2 Schrumpfmaß nach BS 1377 und DIN 18122-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

7.1.3 Ergebnisse TA-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

7.1.4 Ergebnisse TA-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

7.1.5 Ergebnisse TM-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

7.1.6 Ergebnisse TM-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

7.1.7 Ergebnisse TL-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

7.1.8 Ergebnisse TL-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

7.2 Untersuchung des Schrumpfverhaltens des Bodens ohne Auflast . . . . . . . . . . . 34

7.2.1 Ziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.2.2 Versuchsdurchführung nach DIN 18122-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.2.3 Ergebnisse TA-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.2.4 Ergebnisse TM-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5


7.2.5 Versuchsdurchführung in Anlehnung an DIN 18122-2 mit Größtkorn 2 mm . . . 36

7.2.6 Ergebnisse TM-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.2.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.3 Versuchsreihen zur Ermittlung der Auswirkung der Vorbelastung des Bodens auf sein Schrumpf-verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.3.1 Ziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.3.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . 38

7.3.3 Ergebnisse TA-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.3.4 Ergebnisse TM-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

7.3.5 Ergebnisse TL-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

7.3.6 Zusammenfassende Betrachtungen . . . 51

7.4 Untersuchung zur Porengrößen-verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

7.4.1 Versuchskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

7.4.2 Verfahren der Quecksilber-porosimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

7.4.3 Versuchsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

7.4.4 Ergebnisse TA-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

7.4.5 Ergebnisse TL-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

7.5 Folgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

8 Saugspannungsuntersuchungen . . . 56

8.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

8.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . 56

8.3 Ergebnisse TM-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

8.4 Ergebnisse TL-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

8.5 Ergebnisse TL-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

8.6 Ergebnisse TL-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

8.7 Bewertung und Zusammenfassung . . . 59

9 Festigkeitsuntersuchungen an Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

9.1 Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

9.2 Probengewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

9.3 Einaxialer Druckversuch . . . . . . . . . . . . 63

9.3.1 Einaxialer Druckversuch an ungestörten Bodenproben . . . . . . . . . . 63

9.3.2 Einaxialer Druckversuch an aufbereiteten Bodenproben . . . . . . . . . 67

9.4 Eindringversuche mit Proctornadel und Konusspitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

9.4.1 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . 74

9.4.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

9.5 Zusammenfassung und Bewertung . . . 84

10 Zusammenfassung und Ausblick . . . 86

11 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6


Abkürzungen

Latein

ABoden cm2 Fläche des trockenen Bo-dens

ARing cm2 Fläche des Stahlrings

d0 cm Ausgangsdurchmesser

e - Porenzahl

eAB - Ausbauporenzahl

Es MN/m2 Steifemodul

h0 cm Ausgangshöhe

hAB cm Ausbauhöhe

hd cm Höhe der trockenen Probe

IP % Plastizitätszahl

L0 cm Ausgangslänge der Probe

Ld BS cm Länge der trockenen Probe

Ls % Lineares Schrumpfmaß

mAB g Ausbaumasse

m0 g Ausgangsmasse

md g Trockenmasse

Sr Sättigungsgrad

V0 cm3 Ausgangsvolumen

Vd cm3 Trockenvolumen

Vd-Ring-SL cm3 Trockenvolumen der Probedes nach DIN 18122-2 durch-geführten Versuchs. Bestim-mung mittels Schieblehre

Vd-Ring-Tauch cm3 Trockenvolumen der Probedes nach DIN 18122-2 durch-geführten Versuchs. Bestim-mung mittels Tauchwägung

Vs % Volumenschrumpfmaß

VS Ring % Volumenschrumpfmaß derProbe des nach DIN 18122-2durchgeführten Versuchs

w0 % Ausgangswassergehalt

wAB % Ausbauwassergehalt

wL % Fließgrenze

wp % Ausrollgrenze

wS % Schrumpfgrenze

wS-Tauch % Schrumpfgrenze nach Tauch-wägung

wS-SL % Schrumpfgrenze nach Volu-menbestimmung mittelsSchieblehre

Griechisch

ε* bezogene Dehnung

σ kPa totale Vertikalspannung

σ’ kPa effektive Vertikalspannung

ρs g/cm3 Korndichte

ρw g/cm3 Dichte von Wasser

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1 Problemstellung

Beim Lösen bindiger Böden besteht ein Zusam-menhang zwischen Lösbarkeit, Wassergehalt undKonsistenz des Bodens. Diesem wird in der VOB,Teil C DIN 18300 Rechnung getragen, indem dieGrenzwerte zwischen den Bodenklassen 4, 5 und 6über die Konsistenz definiert sind. Hierbei werdender Bodenklasse 4 alle Bodenarten mit leichter undmittlerer Plastizität in weicher bis halbfester Konsis -tenz zugeordnet. Die Bodenklasse 5 umfasst aus-geprägt plastische Tone in weicher bis halbfesterKonsistenz. Feinkörnige Böden fester Konsistenzsind der Bodenklasse 6 zuzuordnen. Die Grenzezwischen halbfester und fester Konsistenz ist dabeiüber die Schrumpfgrenze definiert, die nach DIN18122-2 bestimmt wird.

Die Schrumpfgrenze reiht sich als eine der Atter-berg’schen Grenzen zur Bestimmung der Konsis -tenz ein, wobei nach DIN 18122-1 die Fließgrenzeden Übergang zwischen flüssiger und breiiger Kon-sistenz und die Ausrollgrenze den Übergang zwi-schen steifer und halbfester Konsistenz darstellen.Die Schrumpfgrenze als Übergang zwischen halb-fester und fester Konsistenz weist hierbei nach bo-denmechanischer Theorie den geringsten Wasser-gehalt auf, da dieser mit zunehmender Konsistenzabnimmt. Dies ist jedoch in der Realität nicht immerder Fall. Der Wassergehalt an der Ausrollgrenzeliegt vor allem bei leichtplastischen Böden häufigunterhalb des Wassergehaltes an der Schrumpf-grenze. Dies führt aufgrund einer unpräzisen Zu-ordnung der Bodenklassen häufig zu Streitfällenzwischen Auftragnehmer und Auftraggeber.

2 Forschungskonzept

2.1 Zielsetzung

Mit der vorliegenden Forschungsarbeit soll die vor-handene Versuchstechnik zur Unterscheidung zwi-schen den Bodenarten 4 und 6 bzw. 5 und 6 evalu-iert und verbessert werden. Hierbei soll das durchdie Verwendung der Konsistenzgrenzen zur Klassi-fizierung auftretende Problem, dass der Wasserge-halt an der Schrumpfgrenze über dem Wasserge-halt an der Ausrollgrenze liegen kann, näher be-trachtet werden. Ziel dieser Forschung ist eine ein-deutige Einordnung bindiger Böden in die Boden-klassen der DIN 18300. Eine präzise Einordnungder Böden soll zur Vermeidung von Streitfällen im

Erdbau beitragen und ist somit im beiderseitigen In-teresse von Auftragnehmer und Auftraggeber. Ineinem ersten Schritt sollen das Schrumpfverhaltenbindiger Böden analysiert und die Methoden zurBestimmung der Schrumpfgrenze weiterentwickeltwerden. In einem nächsten Schritt soll untersuchtwerden, inwieweit andere Parameter, welche dieFestigkeit des Bodens beschreiben, z. B. die ein-axiale Druckfestigkeit, für die Einordnung bindigerBöden in Lösbarkeitsklassen herangezogen wer-den können.

2.2 Forschungskonzeption

In Bild 2-1 ist das Untersuchungskonzept dazuschematisch dargestellt. Der Schwerpunkt des Vor-habens liegt, wie bereits ersichtlich, in der Konzep-tion, Durchführung und Auswertung von Laborver-suchen.

Im ersten Schritt sollen im Hinblick auf ihre Konsis -tenz und ihre Plastizität geeignete bindige Bödenausgewählt werden. Da die in weiteren Schrittendurchzuführenden Untersuchungen zum Teil unge-störte Proben voraussetzen, muss das zu untersu-chende Probematerial auch im ungestörten Zu-stand vorliegen. Um eine Aussagekraft für ver-schiedene bindige Böden zu bekommen, werden jezwei Böden leichter, mittlerer und ausgeprägterPlastizität gesucht, bei denen der Wassergehalt ander Schrumpfgrenze geringer ist als der an der Aus-rollgrenze. Des Weiteren sollen vier Böden unter-sucht werden, deren Wassergehalt an derSchrumpfgrenze über dem Wassergehalt an derAusrollgrenze liegt. Dieses Phänomen tritt vorallem bei leicht- bis mittelplastischen Böden auf.Der Grund für dieses Verhalten liegt nach vonSOOS (2001) in dem regellosen, sperrigen Gefüge,welches sich durch die Aufbereitung der Probe unddas anschließende Schrumpfen aus einer vormalsparallel ausgerichteten Struktur entwickelt. DerWassergehalt an der Schrumpfgrenze wird nachvon SOOS (2001) daher überschätzt. Die durch dieVersuchstechnik entstehende hohe Porenzahl mitdem daraus resultierend hohen Restschrumpfungs-anteil und Wassergehalt entspricht im Allgemeinennicht den Eigenschaften vorbelasteter, natürlicherBöden.

Zur Auswahl der Böden wird eine bodenmechani-sche Klassifizierung nach DIN EN ISO 14688 undDIN 18196 der infrage kommenden Bodenprobendurchgeführt. In diesem ersten Schritt werden er-

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gänzend die Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2und das Schrumpfmaß nach BS 1377 bestimmt.Die Ergebnisse der Schrumpfversuche nach Normwerden für die weiteren Versuche als Vergleichs-werte herangezogen.

Nach der Wahl des Probenmaterials werden Unter-suchungen zum Schrumpfverhalten unbelasteterProben entsprechend dem Versuch nach DIN18122-2 durchgeführt. Das Schrumpfverhalten wirddabei mittels regelmäßiger Wägung und Volumen-bestimmung mit der Schieblehre während desSchrumpfvorganges untersucht. Parallel zu denUntersuchungen im Labor werden verschiedeneMethoden zur zerstörungsfreien Volumenbestim-mung der Bodenprobe geprüft:

• Volumenmessung mittels Schieblehre,

• Volumenbestimmung mit Hilfe einer Messuhr,

• Volumenbestimmung über Einschweißen,

• Volumenbestimmung mit Hilfe digitaler Fotogra-fie,

• Volumenbestimmung mit Ballonmethode gemäßCARTER et al. (2007),

• Volumenbestimmung mit Laser,

• Volumenbestimmung über Tauchwägung in Polymerflüssigkeit.

Anhand dieser Untersuchungen soll geklärt wer-den, inwieweit die Schrumpfgrenze nach DIN18122-2, welche unter Vernachlässigung der Rest-schrumpfung und unter Annahme gesättigter Ver-hältnisse an der Schrumpfgrenze bestimmt wird,das tatsächliche Schrumpfverhalten von an derFließgrenze aufbereiteten Böden wiedergibt.

Der Einfluss der Vorgeschichte des Bodens auf dasSchrumpfverhalten soll in einem dritten Schritt be-stimmt werden. Dazu werden an der Fließgrenzeaufbereitete Böden unter ödometrischen Verhält-nissen bei konstanten Vertikalspannungen zu-nächst unter verschiedenen Maximalspannungenkonsolidiert und anschließend unter atmosphäri-schen Bedingungen ohne Belastung getrocknet.Dabei soll das Schrumpfverhalten der unterschied-lich stark vorbelasteten Böden untersucht werden,wobei die eingangs dargestellte Problematik, dassder Wassergehalt an der Schrumpfgrenze beileichtplastischen bis mittelplastischen Böden häufigoberhalb des Wassergehalts an der Ausrollgrenzeliegt, noch einmal genauer betrachtet werden soll.

Das Schrumpfverhalten und damit auch dieSchrumpfgrenze werden nach SRIDHARAN (1971)wesentlich von der Porengrößenverteilung des Bo-dens beeinflusst. Vor diesem Hintergrund wurde dieQuecksilberporosimetrie an Bodenproben durchge-führt, die nach einer Aufbereitung an der Fließgren-ze unter verschiedenen Ausgangsbelastungen kon-

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Bild 2-1: Versuchskonzept


solidiert wurden und anschließend frei schrumpfenkonnten.

Da die Steifigkeit und Scherfestigkeit bindigerBöden einen wesentlichen Einfluss auf die Lösbar-keit ausüben, sollte in einem vierten Schritt die ein-axiale Druckfestigkeit der verschiedenen Böden inAbhängigkeit vom Wassergehalt bestimmt werden.Hierbei wurden ungestörte Bodenproben von ihremnatürlichen Wassergehalt bis auf Wassergehalte imBereich der Schrumpfgrenze heruntergetrocknetund anschließend die einaxiale Druckfestigkeit inAbhängigkeit vom Wassergehalt der verschiedenenProben bestimmt. Hierbei ist darauf zu achten, dassdie einaxiale Druckfestigkeit ungestörter Bodenpro-ben von einer Vielzahl von Parametern abhängt,die nicht genau quantifiziert werden können.

Des Weiteren soll die Abhängigkeit der einaxialenDruckfestigkeit vom Wassergehalt auch an aufbe-reiteten Bodenproben ermittelt werden. Damit sol-len Aussagen über den Einfluss unterschiedlicherBöden (leicht-, mittel- und ausgeprägt plastisch)und Bodenstrukturen auf die Druckfestigkeit ge-wonnen werden.

Um ein zur Bestimmung der Scherfestigkeit im Ver-gleich zum einaxialen Druckversuch weniger auf-wändigen Versuch einzuführen, wurde ein Eindring-versuch entwickelt und getestet. Dazu wurden ein-gepresste Bodenproben auf verschiedene Wasser-gehalte heruntergetrocknet und mit Hilfe eines Aus-stechrings ausgearbeitet, bevor mit behinderterSeitendehnung ein Konus bzw. eine Proctornadelweggesteuert in die Probe eingedrückt wurden. DieKraftentwicklung beim Eindringen des Konus bzw.der Proctornadel wurden aufgezeichnet. Die hierdargestellten Versuche wurde ausschließlich anaufbereiteten Bodenproben durchgeführt und die-nen als Grundlage zur Entwicklung einer neuenVersuchstechnik.

Ebenso wie der Schrumpfvorgang beruht die Fes -tigkeitszunahme bindiger Böden bei einer Reduzie-rung des Wassergehaltes u. a. auf der Oberflä-chenspannung des Wassers und daraus resultie-renden Kapillarkräften. Kapillarkräfte üben eineVorspannung auf das Korngerüst aus und führen zueiner Zunahme der Korn-zu-Korn-Spannungen.Daneben finden bei feinkörnigen Böden ausge-prägte Wechselwirkungen zwischen dem Boden-wasser und den Tonmineralen in Form von adsorp-tiven und osmotischen Prozessen statt. Zusammenmit den Kapillarkräften können die zwischen Fest-

stoff und Wasser wirkenden Adsorptionskräfte überdas Matrixpotenzial, welches auch als Saugspan-nung bezeichnet wird, erfasst werden. Vor diesemHintergrund sollte in einem fünften Schritt der Zu-sammenhang zwischen dem Matrixpotenzial unddem Wassergehalt bestimmt werden. Dazu solltendie Proben ebenfalls zunächst an der Fließgrenzeaufbereitet werden. Zur Ermittlung der Saugspan-nungs-Wassergehalts-Beziehung ist eine Ver-suchstechnik vorzusehen, welche die Messung derin feinkörnigen Böden auftretenden sehr hohenSaugspannungen ermöglicht. Tensiometer sinddazu ungeeignet. Es wird dazu ein Feuchtigkeits-messgerät nach der Taupunktmethode eingesetzt,welches sich durch große Präzision und vergleichs-weise sehr kurze Messdauern auszeichnet. Anhandder oben beschriebenen Untersuchungen soll ge-prüft werden, inwieweit die einaxiale Druckfestig-keit, der Widerstand der Bodenprobe beim Ein-dringversuch und die Saugspannungs-Wasserge-halts-Beziehung für die Bestimmung der Schrumpf-grenze und für die Einordnung bindiger Böden inLösbarkeitsklassen herangezogen werden können.

3 Begriffsbestimmung

3.1 Schrumpfgrenze

Der Wassergehalt, bei der die Volumenverminde-rung beim Trocknen des Bodens abgeschlossen ist,wird nach SCHULTZE et al. (1967) als Schrumpf-grenze w bezeichnet. In DIN 18122-2 wird diesSchrumpfgrenze als Übergang zwischen halbfesterund fester Konsistenz des Bodens definiert undnach Gleichung (3-1) bestimmt. Es wird dabei voneiner Vollsättigung der Probe bis zum Erreichen derSchrumpfgrenze ohne weitere Restschrumpfungausgegangen. Somit kann von der bis zur Massen-konstanz getrockneten Probe auf die Schrumpf-grenze geschlossen werden.

3.2 Schrumpfmaß

Die Versuchsdurchführung zur Bestimmung des li-nearen Schrumpfmaßes wird im BS 1377 definiert.Das lineare Schrumpfmaß LS gibt den prozentualenLängenverlust einer Probe mit definiertem Anfangs-wassergehalt bis zum Eintreten der Schrumpfgren-ze an.

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L0 Ausgangslänge der Probe

Ld Trockenlänge der Probe

Das Schrumpfmaß S dient nach SCHULTZE et al.(1967) ebenfalls als Maß für die Baugrundbeschaf-fenheit und zur Beurteilung möglicher Schrumpfvor-gänge (siehe Tabelle 3-1).

Das Volumenschrumpfmaß VS dient der prozentua-len Beurteilung des räumlichen Volumenverlustes.

Eine Umrechnung vom dreidimensionalenSchrumpfmaß auf das eindimensionale Schrumpf-maß LS ist nach DEMBERG (1979) über Gleichung(3-4) möglich.

3.3 Primärschrumpfen

Primärschrumpfen bezeichnet nach SCHULTZEet al. (1967) den Volumenverlust des Bodens infol-ge der Kapillarkraft des Wassers.

3.4 Restschrumpfen

Die Restschrumpfung bezeichnet das Schrumpf-verhalten des Bodens nach Erreichen der Volu-menkonstanz. Die Restschrumpfung entsteht infol-ge von Hydratationskräften, die auf die Probe wir-ken.

4 Stand der Wissenschaft undTechnik

4.1 Technische Regelwerke

4.1.1 Bodenklassifizierung – Übersicht

Die DIN 18300 ist Bestandteil der „VOB – Vergabe-und Vertragsordnung für Bauleistungen – Teil C: All-gemeine Technische Vertragsbedingungen für Bau-leistungen ATV – Erdarbeiten“. Diese greift in allenFällen, bei denen vertraglich die VOB vereinbartwurde. Die DIN 18300 gliedert sich in sechs Kapi-tel, wobei Kapitel 2 „Stoffe, Bauteile, Boden undFels“ die Problemstellung der Forschungsarbeittangiert. Es findet hier eine Einstufung der Vorgän-ge Lösen, Laden, Fördern, Einbauen und Verdich-ten in sieben Klassen statt. Nach FLOSS (2001)dient diese Einstufung als Grundlage für Planung,Kostenkalkulation und Maschineneinsatz. Eine ein-heitliche Ausschreibung der Bauleistungen sollsomit ermöglicht werden. Die hier vorliegende Ar-beit beschäftigt sich mit den Klassen 4 bis 6 deroben genannten Einteilung. Die Klasse 4 „mittel-schwer lösbare Bodenarten“ umfasst bindigeBöden leichter bis mittlerer Plastizität in weicher bishalbfester Konsistenz. Der Bodenklasse 5 werden„schwer lösbare Bodenarten“ zugeordnet. Hierzuzählen neben den nicht bindigen Böden, die in die-ser Forschungsarbeit nicht behandelt werden, aus-geprägt plastische Tone mit weicher bis halbfesterKonsistenz. Der Klasse 6 werden „leicht lösbarerFels und vergleichbare Bodenarten“ zugeordnet.Dazu zählen „… vergleichbare feste oder verfestig-te bindige oder nichtbindige Bodenarten“ (DIN18300). Somit ist die Zuordnung der Klassen 4 und6 bzw. 5 und 6 durch den Übergang von halbfesterzu fester Konsistenz definiert und wird mit Hilfe derSchrumpfgrenze (DIN 18122-2) ermittelt. Die Bo-denklassen der DIN 18300 sind der Übersicht hal-ber in Tabelle 4-1 dargestellt.

Die Klassifizierung der Böden in 7 Klassen wird auf-grund von ungenauen Abgrenzungskriterien vonHEELING (2008) kritisiert. Hierbei stellt HEELING(2008) dar, dass die DIN 18300 keine einheitlichenKlassifikationskriterien bietet. Die Klassifikation fin-det, je nach Bodenklasse, anhand verschiedenerKriterien wie Kornverteilung, Konsistenz, Plastizitätoder Bodenart statt.

Sowohl HEELING (2008) als auch KIEKBUSCH(1999) vergleichen die DIN 18300 mit der DIN18311:2006-10 „Nassbaggerarbeiten“, die ebenfalls

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[%]SSchrumpfmaß

beschaffenheitBaugrund-

Schrumpfgefahr

< 5 gut gering

5-10 mittel mittel

10-15 schlecht groß

> 15 sehr schlecht sehr groß

Tab. 3-1: Baugrundbeurteilung mit Hilfe des Schrumpfmaßes,entnommen aus v. SOOS (2001)


zu den Verdingungs- und Vertragsordnungen zäh-len. Hier wurde eine neue Einteilung der Boden-klassen gefunden. Die DIN 18311 bietet eine Ein-ordnung der Böden getrennt nach bindigen (Bo-denklasse BOB 1 bis BOB 4) und nicht bindigen(Bodenklasse NB 1 bis NB 4) Bodenarten sowieFelsklassen (F1 bis F2) an. Damit unterscheidetsich die Norm grundlegend von der DIN 18300, inder die Boden- und Felsklassen 1-6 ineinanderübergehen. Da es sich in beiden Fällen um die Aus-schreibung, Vergabe und Abrechnung bei der Bear-beitung von Böden handelt, schlagen HEELINGund KIEKBUSCH hier eine Vereinheitlichung derNormung vor. Die Grundproblematik der Normun-gen für Erdarbeiten und Nassbaggerarbeiten ist je-doch grundsätzlich verschieden. Während die Ein-ordnung der Böden bei Erdarbeiten (Lösen, Laden,Fördern) eher als zu ungenau beschrieben wird,wurde die alte Norm DIN 18311:2000-12 als zu feinstrukturiert beschrieben.

KIEKBUSCH (1999) hingegen weist überwiegendauf die Problematik der Einordnung der bindigenBöden zu den Bodenklassen der DIN 18300 bzw.DIN 18311 hin. Hierbei wird versucht, einen Zu-

sammenhang zwischen der undränierten Scher -festigkeit cu und der Konsistenzzahl Ic zu entwi -ckeln. Verschiedene Versuchsgeräte und Zusam-menhänge werden von PIETSCH (1996) darge-stellt. PIETSCH (1996) schlägt alternative Index-Versuchsmethoden zur Abgrenzung bindigerBöden vor. Des Weiteren untersuchte PIETSCH(1996) die Festigkeit der Böden in Abhängigkeit vonder Konsistenz. Ein Schwerpunkt der Untersuchun-gen ist die Festigkeitsermittlung des Bodens mittelsTaschenpenetrometers, Laborflügelsonde und un-drainierten unkonsolidierten Triaxialversuchs.Dabei stellt PIETSCH (1996) die Abhängigkeit zwi-schen Konsistenz und Festigkeit, wie in Bild 4-1 be-schrieben, dar.

KIEKBUSCH (1999) schlägt zur eindeutigerenKlassifizierung und zur übergreifenden Anwendungder Normen für Nassbaggerarbeiten (DIN 18311)und Erdarbeiten (DIN 18300) die Anwendung derundränierten Scherfestigkeit als Abgrenzungskrite-rium bindiger Böden zwischen den Bodenklassender DIN 18311 und 18300 vor.

Untersuchungen zur Vereinheitlichung der Boden-und Felsklassen wurden ebenfalls von GROßE und

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Tab. 4-1: DIN 18300:2006-10 nach HEELING (2008)


BORCHERT (2010) durchgeführt. Hierbei wurdengrundsätzlich die Möglichkeiten der Vereinheitli-chung der Boden- und Felsklassen der AllgemeinenTechnischen Vertragsbedingungen VOB – Teil Cbetrachtet. GROßE und BORCHERT (2010) ver-folgten dabei die Möglichkeit einer Klassifizierung inAnlehnung an die DIN 4020 unter Verwendung der

DIN EN ISO 14688 und DIN EN ISO 14689 bzw.einer Klassifizierung nach Grundklassen, ebenfallsauf Grundlage der DIN EN ISO 14688 bzw. DIN ENISO 14689, jedoch mit der Möglichkeit, diesenGrundklassen eine gewerkespezifische stärkereUntergliederung zuzuordnen. Wie in Tabelle 4-2dargestellt, finden die Einteilungen in Boden- und

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Bild 4-1: Zusammenhang zwischen Plastizitätszahl und undrainierter Scherfestigkeit für verschiedene Konsistenzen von Böden,entnommen aus PIETSCH (1996)

DIN GewerkKlassen

derAnzahl Entnahme Transport Kippe

renInjizie-

Lösen Laden Fördern Einbauen Verdichten

18300 Erdarbeiten 7 x x x x x

18301 Bohrarbeiten > 14 x x

18303 Verbauarbeiten keine

18304 Ramm-, Rüttel- und Pressarbeiten keine

18305 Wassererhaltungsarbeiten keine

18308 Dränarbeiten keine1) x x

18309 Einpressarbeiten keine x

18311 Nassbaggerarbeiten > 11 x x x

18312 Untertagebauarbeiten VKL2) x x x x3) x3)

18313 Schlitzwandarbeiten DIN 18300 x x x

18319 Rohrvortriebsarbeiten > 20 x x x x3) x3)

18320 Landschaftsbauarbeiten keine x x x x

18321 Düsenstrahlarbeiten keine x4) x

1) Verweis auf DIN 4220, DIN 18915 und DIN 18300 2) VKL = Vortriebsklassen 3) ausgenommen hiervon sind die Verfahren, bei denen der gelösten Boden mittels hydraulischer Förderung bzw. Spülförderung

transportiert wird 4) betrifft Lösen des Bodens durch Düsenstrahl, Abteufen der Bohrung über DIN 18301 geregelt

Tab. 4-2: Übersicht zu den Normen der ATV’en mit Arbeitsvorgängen, entnommen aus GROßE und BORCHERT (2010)


Felsklassen in der entsprechenden DIN der VOBauf unterschiedliche Weise statt.

Die nationale Normung für Erdbauarbeiten in Ver-gabe und Vertrag sind für Großbritannien über das„Manual of contract documents for highway works“zusammengefasst. Dieses umfasst eine detaillierteGliederung der Bodenklassen, wobei neben derUnterscheidung der Bodenarten auch die Anwen-dungsgebiete einbezogen werden. Daraus ergibtsich eine Klassifizierung in 9 Hauptklassen mit biszu 19 Unterklassen.

In Österreich (ÖNORM B 2205 „Erdarbeiten“) wirdwie in Deutschland eine Klassifizierung in 7 Boden-klassen vorgenommen, jedoch wird dazu jeder Bodenklasse ein Lösegerät (siehe Tabelle 4-3) für händische Arbeit zugeordnet (GROßE et al.(2010).

4.1.2 DIN 18122-2

Die DIN 18122-2:2000-09 „Baugrund; Untersu-chung von Bodenproben; Zustandsgrenzen (Kon -sistenzgrenzen) – Teil 2: Bestimmung der Schrumpf -grenze“ ersetzt DIN 18122-2:1987-02. Die Ermitt-lung der Dichte im Zuge der Bestimmung derSchrumpfgrenze erfolgt dabei nach DIN 18125-1.Nach der alten DIN 18125-1:1986 konnte das Pro-benvolumen zerstörungsfrei mit Hilfe der Quecksil-berverdrängung bestimmt werden. Die aktuelle DIN18125-1:2010 dagegen sieht die Ermittlung desProbenvolumens mit Hilfe der Tauchwägung bzw.durch Ausmessen der Probekörper vor. Sofern dasAusmessen der Probekörper aufgrund geometrischunregelmäßiger Formen nicht möglich ist, ist dieTauchwägung der Probekörper nach Aufbringeneines Parafinüberzuges anzuwenden. Im Vergleichzur Quecksilberverdrängung kann das Probenvolu-men damit allerdings nicht mehr zerstörungsfrei be-stimmt werden.

4.1.2.1 Probleme bei der Durchführung desDIN-Versuches

Der Versuch zur Bestimmung der Schrumpfgrenzenach DIN 18122-2 bietet nach dem Wegfallen derQuecksilberverdrängung keine Möglichkeit zur kontinuierlichen, präzisen und zerstörungsfreienBestimmung des Bodenvolumens. Die Volumen-bestimmung mit der Schieblehre beruht auf punktu-ellen Messungen und ist daher vor allem bei aus-geprägt plastischen Böden, die während desSchrumpfvorgangs zum Verwölben neigen, starkfehleranfällig. Die Volumenbestimmung mit Hilfeeiner Tauchwägung der vorher in Schellack gedich-teten Proben weist folgende Probleme auf:

• Der Schellack reißt an der Aufstandsfläche derüberzogenen Probe häufig auf.

• Unter der Lackierung bilden sich gelegentlichLuftblasen.

• Eine vollkommene Dichtigkeit gegenüber derUmgebungsluft ist während der Lackierung nichtgegeben.

• Während der Lackierung können Masse- undVolumenänderungen auftreten, die das Ergeb-nis verfälschen.

• Das Erreichen des Farbumschlages setzt einesubjektive Feststellung voraus, was fehleranfäl-lig ist. Ein frühzeitiges Trocknen im Trocken-schrank kann zu Rissen in der Probe führen,welche eine Lackierung und somit eine Tauch-wägung erschweren.

4.1.3 BS 1377

Das lineare Schrumpfmaß (BS 1377:1990) gibt dieprozentuale eindimensionale Verkürzung einer Bo-denprobe an.

4.1.3.1 Probleme bei der Durchführung desBS-Versuches

Der Versuch zur Bestimmung des linearenSchrumpfmaßes ist einfacher angelegt als der DIN-Versuch zur Bestimmung der Schrumpfgrenze; je-doch gibt es auch hier Probleme bei der Versuchs-durchführung:

• Die Bodenprobe reißt häufig während desSchrumpfvorgangs.

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Klasse Lösegerät

1 Stichschaufel, Spaten

2 Schlammschaufel, Schöpfgefäß

3 Wurfschaufel

4 Stichschaufel, Spaten

5 Krampen, Spitz- und Breithacke

6 Brechstange, Meißel, Schlägel

7 Sprengen

Tab. 4-3: ÖNORM B 2205 „Erdarbeiten“, Lösegeräte


• Manche Böden neigen beim Trocknen zu einerVerkrümmung und zur Rissbildung. In diesenFällen ist eine genaue Längenmessung nur be-dingt möglich.

• Das luftporenfreie Einstreichen der Probe in dieSchale ist schwierig.

• Da sich das lineare Schrumpfmaß auf einen An-fangswassergehalt der Probe bezieht, ist dieProbe sehr genau bei einem Wassergehalt ein-zubauen, um aussagekräftige Daten zu erhal-ten.

Als Lösungsvorschlag zur Bestimmung der Längeauch von stark gekrümmten Proben schlägt v. KA-MEKE (1995) vor, drei Ablesungen der Länge ander Oberseite der halbzylindrischen Probe durchzu-führen. Zusätzlich sollte eine Ablesung der Längean der Unterseite vorgenommen werden, wobei dieKrümmung der Probe mit berücksichtigt werdensollte. Die oberen drei Werte sollten zur Bestim-mung des Längenmaßes gemittelt werden und die-ser gemittelte Wert erneut mit dem unteren Län-genmaß gemittelt werden.

4.1.4 ZTV E StB

Die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingun-gen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau(ZTV E-StB 09) behandeln in Kapitel 3.1 die „Ein-stufung von Boden und Fels“ und bauen auf derDIN 18300 auf.

4.2 Schrumpfverhalten

Das Schrumpfverhalten eines bindigen Bodenslässt sich nach Bild 4-2 wie folgt beschreiben:Schrumpfung ist durch Kohäsion und Oberflächen-spannung des Wassers sowie durch die Adhäsionzwischen Wasser und Feststoff geprägt. Ein Was-serentzug wirkt nach SCHEFFER und SCHACHT-SCHABEL (2010) verringernd auf das Bodenvolu-men. Eine Strukturschrumpfung stellt sich bei bipo-rösen Bodenproben ein.

Normalschrumpfung oder Primärschrumpfung be-zeichnet nach SCHULTZE et al. (1967) den Volu-menverlust des Bodens infolge der Kapillarkraft desWassers. Die Normalschrumpfung verläuft auf bzw.parallel zur Sättigungslinie des Bodens.

Die Restschrumpfung bezeichnet das Schrumpf-verhalten des Bodens nach Erreichen der Volu-

menkonstanz. Die Restschrumpfung entsteht infol-ge von Hydratationskräften.

Die Nullschrumpfung zeigt den Bereich der Volu-menkonstanz der Probe an. Die Probe verliert beiabnehmendem Wassergehalt nicht mehr an Volu-men.

Der Übergang zwischen halbfester und fester Kon-sistenz bindiger Böden wird, wie bereits darge-stellt, über die Schrumpfgrenze definiert. DerBoden ist in diesem Zustand im ungesättigten Zu-stand. Das heißt, nicht alle Poren sind mit Wassergefüllt.

SRIDHARAN und RAO (1971) veröffentlichten eineTheorie über das Phänomen des Schrumpfverhal-tens von bindigen Böden und die daraus ableitba-re Spannungstheorie für ungesättigte Böden. EineSchrumpfung des Bodens findet nach SRIDHA-RAN und RAO (1971) so lange statt, wie die Kapil-larkräfte des Bodenwassers größer sind als derScherwiderstand der Bodenstruktur. Diese wirkeneiner Volumenverringerung entgegen. SRIDHA-RAN und RAO (1971) beschreiben diese Zusam-menhänge anhand der Gleichung (4-1). Die Kon-taktspannung zwischen den Bodenpartikeln müssen geringer sein als die Kapillarspannung sTs,um eine Volumenänderung zu erreichen. Im Bodenist diese effektive Spannungsdarstellung abhängigvon dem in der Bodenstruktur eingeschlossenenFluid und dessen Bindungskräften zur Bodenstruk-tur.

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Bild 4-2: Schrumpfverhalten bindiger Böden nach WITT undZEH (2004)


Kontaktspannung

R totale interpartikulare elektrische Abstoßungs-kraft geteilt durch Summe der Fläche interpar-tikulärer Zwischenräume

A Summe der interpartikularen elektrischen An-ziehung geteilt durch Summe der interpartiku-lären Fläche

sTs Kapillarspannung

Wie bereits dargestellt, wird das Schrumpfverhaltendurch Kapillarspannungen hervorgerufen, die ausder Oberflächenspannung des Porenwassers re-sultieren. Die Größe der Porenzahl (e) an derSchrumpfgrenze ist abhängig von dem Widerstandder Bodenpartikel zueinander.

Wie von SOOS (2006) darstellt, hat die Gefüge-struktur des Bodens ebenfalls eine Auswirkung aufden Wassergehalt an der Schrumpfgrenze. Wie inBild 4-3 dargestellt, können Tonpartikel unter-schiedlich abgelagert werden. Eine Umordnung derBodenpartikel bei der Aufbereitung des Probenma-terials führt dabei nach von SOOS (2006) zu ver-änderten Versuchsergebnissen. SRIDHARAN undRAO (1971) weisen bereits auf selbiges Phänomenhin. Sie verweisen darauf, dass eine Wabenstrukturder Bodenpartikel auf geringere Oberflächenspan-nungen und damit einhergehend eine größereSchrumpfgrenze hindeuten als eine orientierte Ab-lagerung (Parallelstruktur) der Bodenpartikel (Bild4-3).

Die dargestellten Abhängigkeiten gelten für aufbe-reitete Böden und Bodenproben ohne externe Be-lastung. Eine zusätzliche Belastung von Böden vorEinsetzen des Schrumpfvorgangs wurde in Labor-untersuchungen in der vorliegenden Forschungsar-

beit durchgeführt (Kapitel 7.3). Hierbei sollte derEinfluss der Vorbelastung eines Bodens auf dasSchrumpfverhalten untersucht werden. Anhandihrer Untersuchung kamen SRIDHARAN und RAO(1971) zu der Schlussfolgerung, dass eine externeBelastung zu kleineren Schrumpfgrenzen führt.

Veröffentlichungen von SRIDHARAN und PRA-KASH (1998, 2000) belegen, dass die Schrumpf-grenze bindiger Böden nicht den Plastizitätsgren-zen zugeordnet werden kann, sondern vielmehr einBodenkennwert ist, der im Zusammenhang mit derrelativen Korngrößenverteilung und der Boden-struktur der Bestandteile steht.

In Bild 4-4 ist ein Schnitt durch einen Interaggre-gatporenraum nach ZEH (2007) dargestellt. Hierbeihandelt es sich um eine ungesättigte Bodenprobe,die das Dreiphasensystem aus Wasser, Boden undLuft umfasst. Weiterhin ist die Struktur der einzel-nen Bodenpartikel dargestellt. Es ist nachzuvollzie-

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Bild 4-3: Bodenablagerung, entnommen aus von SOOS (2001)

Bild 4-4: Schnitt durch Interaggregatporen, entnommen ausZEH (2007)


hen, dass die unterschiedlichen Strukturen der Ag-gregate, wie bereits durch von SOOS (2001) undSRIDHARAN und PRAKASH (1998) dargestellt, zuverschiedenen Schrumpfgrenzen führen.

4.2.1 Potenzialtheorie

Das Potenzial ist definiert als die Arbeit, die ver-richtet werden muss, um eine Einheitsmenge Was-ser von einem Punkt eines Kraftfeldes zu einemBezugspunkt zu transportieren. Die Energie desWassers, welches als Gesamtpotenzial bezeichnetwird, setzt sich aus folgenden Teilpotenzialen zu-sammen (SCHEFFER und SCHACHTSCHABEL,2010):

Ψ = Ψm + Ψz + Ψo + ΨΩ + ΨP (GI. 4-2)

Ψm Matrixpotenzial

Ψz Gravitationspotenzial

Ψo osmotisches Potenzial

ΨΩ Auflastpotenzial

ΨP Druckpotenzial

Das Matrixpotenzial Ψm bezeichnet die Arbeit, diebenötigt wird, um einem Boden eine EinheitsmengeWasser in einer bestimmten Höhe zu entziehen.Dafür müssen Kapillar- und Adsorptionskräfte, wel-che zwischen der Wasserphase und dem Feststoffwirken, überwunden werden. Bei einem vollgesät-tigten Boden beträgt die Matrixspannung null. Mitabnehmendem Wassergehalt nehmen die Bin-dungskräfte zwischen Wasser und Feststoff unddamit das Matrixpotenzial zu.

Das osmotische Potenzial Ψo ist vor allem in aridenGebieten und in Salzmarschen zu berücksichtigen.Es gibt die Arbeit an, die verrichtet werden muss,um eine Einheitsmenge Wasser durch eine semi-permeable Membran dem Boden zu entziehen.

Das Auflastpotenzial ΨΩ wirkt temporär aufgrundvon Porenwasserüberdrücken. Diese bauen sichjedoch während einer Konsolidierungsphase abund führen damit zu einer Verringerung des Auf-lastpotenzials.

Das Druckpotenzial ΨP oder piezometrisches Po-tenzial wirkt unterhalb des freien Wasserspiegelsanstelle des Matrixpotenzials. Es wird durch denäußeren Wasser- und Luftdruck erzeugt.

4.2.2 Saugspannung

Die Saugspannung bzw. Matrixspannung resultiertwie bereits in Kapitel 4.2.1 beschrieben aus denzwischen Wasser und Feststoff wirkenden Kapillar-und Adsorptionskräften. Die Abhängigkeit derSaugspannung vom Wassergehalt lässt sich überdie so genannte Saugspannungs-Wassergehalts-Beziehung, welche auch als Retentionskurve be-zeichnet wird, beschreiben.

Nach FREDLUND und RAHARDj O (1993) wird dieSumme aus der Matrixspannung (matric suction)und der osmotischen Saugspannung (osmotic suction) als totale Saugspannung Ψ bezeichnet.

Ψ = (ua – uw) + π (GI. 4-3)

(ua – uw) Matrixsaugspannung

ua Luftdruck in den Poren

uw Wasserdruck in den Poren

π osmotische Saugspannung

Wie in Bild 4-5 dargestellt, setzt sich die totaleSaugspannung aus der Matrixspannung und derosmotischen Saugspannung zusammen:

Die Matrixsaugspannung entspricht der Saugspan-nung, welche aus der Messung des partialenDampfdruckes in den Bodenporen, relativ zu der

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Bild 4-5: Definition der Saugspannungsanteile, entnommenaus FREDLUND und RAHARDj O (1993)


Messung des partialen Dampfdruckes über einerLösung, die in der Zusammensetzung mit dem Bo-denwasser identisch ist, ermittelt wird.

Die osmotische Saugspannung entspricht derSaugspannung, welche aus der Messung des par-tialen Dampfdruckes über einer Lösung, die in derZusammensetzung mit dem Bodenwasser iden-tisch ist, relativ zu der Messung des partialenDampfdruckes über einer Lösung, die aus reinemWasser besteht, ermittelt wird.

Die totale Saugspannung entspricht der Saugspan-nung, welche aus der Messung des partialenDampfdruckes in den Bodenporen, relativ zu derMessung des partialen Dampfdruckes über einerLösung, die aus reinem Wasser besteht, ermitteltwird.

Die totale Saugspannung ist als freie Energie desBodenwassers definiert und kann über den Was-serdampfpartialdruck bestimmt werden. Der Zu-sammenhang zwischen Porenwasserspannungund Wasserdampfpartialdruck wird nach EDLEF-SEN und ANDERSON (1943) mit Gleichung (4-4)beschrieben:

Eine idealisierte Saugspannungs-Wassergehalts-Beziehung von TOKER et al. (2004) ist in Bild 4-6dargestellt. Dabei beschreiben die verschiedenenPhasen das Entwässerungsverhalten eines idea -lisierten gleichförmigen Bodens. In Phase 1 (satu-rated medium) ist keine Saugspannung vorhanden.Der Boden ist vollständig gesättigt. Mit steigenderSaugspannung wird Porenwasser aus dem Bodengezogen. Wenn das gestörte Gleichgewicht zwi-schen dem Druck an der Grenzfläche zwischen

Wasser und Luft zusammenbricht und somit Luft indie Probe eindringt, ist Phase 2 (air entry) erreicht.Zur Entwässerung des Makroporenbereichs ist keinweiterer Zuwachs an Saugspannung notwendig(Phase 3). Es bleiben kleine Mengen Porenwasserin den Partikelzwischenräumen bestehen, jedochsind die Poren weitestgehend von Wasser befreit.Bei einer weiteren Erhöhung der Saugspannungstellt sich ein Rest-Sättigungsgrad der Probe ein(Phase 5).

Für die vorliegende Forschungsarbeit ist der Zu-sammenhang zwischen Saugspannung und Festig-keit bzw. zwischen Saugspannung und Schrumpf-grenze von besonderem Interesse. Mit DIN 19682-5 wurde ein solcher Zusammenhang in die Nor-mung aufgenommen. In Tabelle 4-4 ist die Tabelle 1der Norm wiedergegeben. Hier wird in Abhängigkeitvon der Saugspannung, ausgedrückt über den pF-Wert als dekadischer Logarithmus der Saugspan-nung, ein Zusammenhang zwischen dem Feuchte-zustand und der Konsistenz des Bodens herge-stellt. Die Schrumpfgrenze liegt somit etwa beieiner Saugspannung von pF = 4 (1.000 kPa).

MBONIMPA et al. (2006) stellen den Zusammen-hang dem Schrumpfverhalten eines Bodens (Bild 4-7 (a)) und der Beziehung zwischen der Saug-spannung und der Porenzahl (Bild 4-7 (b)) schema-tisch dar. Hierbei wird der Lufteintrittspunkt Ψa derSaugspannungskurve mit dem Ende der Normal-schrumpfung (Abschnitt in Bild 4-7 (a)) in Zu-

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Bild 4-6: Idealisierte Saugspannungs-Wassergehalts-Bezie-hung, entnommen aus TOKER et al. (2004)


sammenhang gebracht. MBONIMPA et al. (2006)bezeichnen den Wassergehalt an dieser Stelle mitwa. Er kennzeichnet das Lösen der Schrumpfkurvevon der Sättigungslinie. Ein Einströmen der Luftführt zu einem größeren Bodenwiderstand gegen-

über Verformungen. Diese zweite Phase der Rest-schrumpfung () wird mit einem Wassergehalt wesabgeschlossen. Der durch MBONIMPA et al. alsWassergehalt an der Schrumpfgrenze wes bezeich-nete Übergang zwischen Rest- und Nullschrump-fung (Abschnitt in Bild 4-7 (a)) ist nicht identischmit dem Wassergehalt nach DIN 18122-2, der sich,wie bereits zuvor beschrieben, auf die Sättigungsli-nie des Bodens bezieht.

4.3 Schrumpfgrenze nachbodenmechanischer Theorie

Eine ausführliche Studie „Über das Schrumpfver-halten bindiger Böden“ stammt von KRABBE(1958). Darin wird unter anderem die Abschätzungdes Wassergehalts an der Schrumpfgrenze ws ausdem Wassergehalt an der Fließgrenze wL und derPlastizitätszahl IP entsprechend der Gleichung 4-5dargestellt. Der Formel liegt nach KRABBE (1958)die Annahme zugrunde, dass mit abnehmendemWassergehalt die Festigkeit der Bodenprobe stetigzunimmt. Wird nun angenommen, dass sich derVerfestigungsvorgang an jeder Bodenprobe glei-chermaßen entwickelt, so müsste die Plastizitäts-zahl in einem definierten Verhältnis zum Abstandzwischen dem Wassergehalt an der Fließgrenzeund der Schrumpfgrenze stehen.

wS = wL - 1,25 · IP GI. (4-5)

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Tab. 4-4: Konsistenz bindiger Böden – Konsistenzgrenzen und zugehörige Bodenfeuchte (DIN 19682-5; Tabelle 1)

Bild 4-7: Schematischer Zusammenhang zwischen Schrumpf-und Entwässerungsphasen eines Bodens, entnom-men aus MBONIMPA et al. (2006) und bearbeitet


In Kapitel 6.3.1 sind die Fließ-, die Ausroll- und dieSchrumpfgrenzen für die in den Voruntersuchungenklassifizierten Böden aufgetragen. Die Böden sindder Größe der Fließgrenze nach geordnet. Bild 4-7beinhaltet des Weiteren die nach Gleichung 4-5 bestimmte Schrumpfgrenze. Erwartungsgemäßliegt diese stets unterhalb der Ausrollgrenze. Dieversuchstechnisch bestimmte Schrumpfgrenzenach DIN 18122-2 hingegen liegt vor allem beileicht- bis mittelplastischen Böden häufig oberhalbder Ausrollgrenze nach DIN 18122-1. Gemäß derDefinition der Konsistenzbereiche, auf die sich auchKRABBE (1958) bezieht, ist dies jedoch nicht mög-lich. Bei der Bestimmung der Schrumpfgrenze nachDIN 18122-2 wird der Boden beim 1,1fachen Was-sergehalt der Fließgrenze aufbereitet und durchVerdunstung entwässert. Die dabei vollzogene Ver-änderung des im ungestörten Zustand mehrheitlichparallel ausgerichteten Plättchengefüges zu einemsich durch die Versuchsdurchführung einstellendenmehrheitlich regellosen, sperrigen Gefüges kannnach von SOOS (2001) dazu führen, dass der so er-mittelte Wassergehalt an der Schrumpfgrenze überdem Wassergehalt an der Ausrollgrenze liegt.

5 Methoden der zerstörungs -freien Volumenbestimmung

5.1 Bestimmung des Volumens überdigitale Bildträger

In diesem Kapitel wird die Bestimmung derSchrumpfgrenze mit Hilfe der digitalen Bildverarbei-tung dargestellt. Beispielhaft ist hier die Auswertung

der Probe TA-2 dargestellt (Bild 5-1). Die Probewird nach der Trocknung im Trockenschrank digitalfotografiert und die Grenzflächen in AutoCAD nach-gezeichnet. Die Fläche des Stahlringes ist bekannt.Somit kann die Fläche der trockenen Probe be-rechnet werden. Die Höhe der Probe wird mit derSchieblehre bestimmt. Für eine Probe mit nicht ge-krümmter Oberfläche kann so das Volumen be-rechnet werden. Zur Bestimmung des Wasserge-halts an der Schrumpfgrenze wurde eine Reihe vonjeweils drei Versuchen durchgeführt, um Fehler beider Durchführung des Versuchs ersichtlich zu ma-chen.

Im Mittel beträgt die mit der digitalen Fotoauswer-tung bestimmte Schrumpfgrenze der Probe TA-214,18 %. Die nach DIN 18122-2 bestimmteSchrumpfgrenze beträgt 14,73 %. j edoch ist diesesVerfahren mit Fehlern behaftet, da die Probe überdie Höhe nicht immer gleichmäßig schrumpft. Auchdie Höhe ist nur entsprechend der Genauigkeit derSchieblehre bestimmbar. Die Bestimmung ist nichtberührungslos, daher kann es zu einem Verlust anBodenmaterial während der Versuchsdurchführungkommen.

5.2 Bestimmung der vertikalenVerformung über Messuhren

Da das horizontale Schrumpfverhalten des Bodensüber Fotografie recht sicher digital abgebildet wer-den kann, wurde versucht, die vertikale Verformungdes Bodens ebenfalls aufzuzeichnen. Hierbei wirdüber dem beim 1,1fachen Wassergehalt der Fließ-grenze aufbereiteten und in Stahlringe eingestri-

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Bild 5-1: Bestimmung der Schrumpfgrenze mittels digitaler Fotografie (TA-2)


chenen Boden eine digitale Messuhr angebracht,welche die vertikale Verformung des Bodens auf-zeichnet. j edoch ergaben sich hierbei Schwierig-keiten. Die Federkraft der Messuhr war zu stark, so-dass die Spitze in der Probe versank. Eine Aufwei-tung der Messspitze durch Aufschrauben eines Me-tallblättchens führte trotz vergrößerter Aufstandsflä-che nicht zu dem gewünschten Erfolg. Das Eindrin-gen der Messspitze konnte nicht vollständig unter-bunden werden. Des Weiteren ist der Einfluss einerimmer größeren Aufstandsfläche auf dasSchrumpfverhalten nicht vernachlässigbar, dadurch das Abdecken der Probe die natürliche Luft-zirkulation an der Oberfläche der Probe unterbun-den ist. Zusammenfassend ist festzustellen, dassaus den Ergebnissen der vertikalen Schrumpfmes-sung mittels digitaler Wegaufnehmer keine ver-wendbaren Datenreihen gewonnen werden konn-ten.

5.3 Volumenbestimmung mit Hilfeeines Lasers

Während der Beprobung der Böden wurde die Ideeverfolgt, die Volumenbestimmung der Probe mitHilfe eines Lasers zu bestimmen, da somit eine re-gelmäßige und berührungslose Volumenbestim-mung möglich erschien. Nach Rücksprache mitHerstellern solcher Geräte wurde die Idee verwor-fen, da einerseits der finanzielle Aufwand sehr hochist, andererseits auch nicht gewährleistet werdenkann, dass der Boden mit Hilfe dieser Laser ver-messen werden kann. Nach Auskunft der Herstellerist bei einem Bodenmaterial nicht gesichert, dassder Laserstrahl richtig reflektiert und gebrochenwird. Die Laser sind im Allgemeinen auf gleichmä-ßige Oberflächen ausgelegt.

5.4 Volumenbestimmung mit Hilfe derBallonmethode

Eine weitere Methode zur kontinuierlichen Volu-menbestimmung wurde von TARIQ und DURN-FORD (1993) veröffentlicht. In diesem Versuch wirddie Bodenprobe in einem Gummiballon platziert(siehe Bild 5-2). In diesen wird über Luftkanäle eineBelüftung der Probe aufrechterhalten. In regelmäßi-gen Abständen wird die Luft mit Hilfe einer Vaku-umpumpe aus dem Ballon evakuiert, sodass sichder Ballon gleichmäßig an die Probe anschmiegt.Das Volumen der Probe wird in diesem Zustandüber Tauchwägung bestimmt (siehe Bild 5-3). Bei

dieser Methode wurden folgende Fehlerquellen ge-sehen:

• Durch das Aufbringen des Vakuums wird derProbe Wasser entzogen.

• Das vollständige Anliegen des Ballons an demProbekörper scheint schwierig.

• Die Belüftung der Probe findet nur einseitig statt.

• Es kann nur eine Probe pro Versuchsdurchlaufuntersucht werden.

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Bild 5-2: Bodenprobe im Ballon, entnommen aus TARIQ undDURNFORD (1993)

Bild 5-3: Bodenprobe bei Tauchwägung, entnommen ausTARIQ und DURNFORD (1993)


5.5 Kontinuierliche Volumen -bestimmung über Verdrängung inPolymerflüssigkeit

Die Volumenbestimmung einer Bodenprobe überVerdrängung in einer Polymerflüssigkeit wurdeebenfalls untersucht. Nach ersten Tests mit einerPolyacrylamidlösung wurde diese Idee ebenfallsverworfen. Das Verdrängungsvolumen konnte zwarbestimmt werden, die Bodenprobe wurde jedochdurch das Eintauchen oberflächennah befeuchtet.

5.6 Kontinuierliche Volumen -bestimmung mitEinschweißtechnik

Bei der Volumenbestimmung durch Tauchwägungmit vorherigem Einschweißen der Probe ergebensich die gleichen Probleme wie bei der Ballonme-thode. Des Weiteren kommt es durch den häufigenEin- und Ausbau zu Verlust von Probenmaterial.

6 Klassifizierende Labor -versuche

6.1 Vorgehen

Zur Untersuchung des Übergangs von der halbfe-sten zur festen Zustandsform bei bindigen Boden-arten wurde eine Vielzahl an Bodenproben gewon-nen, an denen Klassifizierungsversuche durchge-führt wurden. Zur Bestimmung der für die For-schung relevanten Bodenarten wurden die Bödennach DIN EN ISO 14688-1 sowie DIN 18196 be-nannt. Es wurde ergänzend zu den Klassifizie-rungsversuchen die Schrumpfgrenze nach DIN18122-2 bestimmt. Durch den Vergleich der Aus-rollgrenze nach DIN 18122-1 in Bezug auf dieSchrumpfgrenze und über die Bodenklassen wur-den die den weiterführenden Untersuchungen zu-grunde gelegten Böden ausgewählt. Die in diesemKapitel dargestellten Böden entsprechen demzufol-ge nicht dem späteren Untersuchungsumfang derForschung, sondern beinhalten alle im Zuge derAuswahl potenziell geeigneten Bodenarten.

6.2 Probennahme

Im Folgenden wird auf die Herkunft der ausgewähl-ten Böden eingegangen:

• Die Proben TL-1 wie auch TL-4 wurden einemSchurf in einem Baufeld in Markt Schwaben ent-nommen. Beide Böden standen oberflächennahan. Die ungestörten Proben wurden mit Hilfevon Ausstechzylindern gewonnen. Das natürli-che Material weist eine steife Konsistenz auf.

• Die Probe TL-2 wurde im Zuge einer Baugrund-erkundung in Gebrazhofen bei Leutkirch (Allgäu)entnommen. Die Probe wurde in einer Tiefe von8 m unter Geländeoberkante als ungestörteProbe entnommen. Im natürlichen Zustand stehtder Boden, bei dem es sich um einen Beckentonhandelt, in weicher Konsistenz an.

• Die Probe TL-3 stammt aus einem Schurf in derNähe von Erding. Die ungestörten Bodenprobenwurden auch hier mit Hilfe von Ausstechzylin-dern gewonnen.

• Der Boden TM-1 wurde einer Tongrube in derUmgebung von Zolling entnommen. Es handeltsich herbei um einen Lösslehm.

• Die Probe TM-2 entstammt den Münchner ter-tiären Tonen. Die Probe wurde einem Schurfentnommen. Die gestörten Proben aus diesemSchurf wurden in den weiteren Untersuchungenmit Kernbohrmaterial aus den Münchner tertiä-ren Tonen kombiniert, womit sowohl ungestörteals auch gestörte Proben für die vorgesehenenVersuche zur Verfügung standen. Um dies zuermöglichen, wurden an den Bohrproben Klassi-fikationsuntersuchungen durchgeführt und mitdem gestörten Material aus dem Schurf vergli-chen. Der Boden weist die Besonderheit auf,dass die Schrumpfgrenze oberhalb der Ausroll-grenze liegt. Dieses Phänomen tritt in denMünchner tertiären Schichten häufig auf.

• Die Proben TM-4 und TA-1 wurden zum Teil auseinem Schurf in der Tongrube in Emming undzum Teil aus Kernbohrungen nahe der Tongrubein Emming entnommen. Beide Proben weisenim natürlichen Zustand eine steife Konsistenzauf.

• Die Proben TA-2 wurden bei Paaring entnom-men. Der ausgeprägt plastische Ton steht dortunter einer geringen Oberbodendecke an. Dasgestörte Material entstammt einem Schurf. DerBoden steht im natürlichen Zustand in steiferKonsistenz an. Das ungestörte Probenmaterialwurde entlang eines Einschnittes für ein Über-führungsbauwerk der im Bau befindlichen B 15mit Hilfe von Ausstechzylindern entnommen.

23


6.3 Bodenklassifikation

Zur Untersuchung des Schrumpfverhaltens bindi-ger Böden wurden zunächst an 19 Böden Klassifi-kationsuntersuchungen durchgeführt. Es wurdenan allen in Tabelle 6-1 dargestellten Böden dieFließgrenze, die Ausrollgrenze und die Schrumpf-grenze bestimmt. Um, wie in der Konzeption darge-stellt, Untersuchungen hinsichtlich der Festigkeitder Böden durchführen zu können, wird ungestör-tes Material benötigt. Dieses war nicht für alle untendargestellten Proben vorhanden. Aus diesemGrund wurden zwei ausgeprägt plastische, drei mit-telplastische und vier leichtplastische Böden ge-wählt, von welchen ausreichend Probenmaterial fürdas gesamte Versuchsprogramm zur Verfügungstand. Diese Proben sind in Tabelle 6-1 grau hinter-legt.

In Bild 6-1 sind die Ergebnisse der Tabelle 6-1 gra-fisch dargestellt.

6.3.1 Zustandsgrenzen und Plastizität

Die Zustandsgrenzen und die Plastizität der ausge-wählten Böden sind zur Verdeutlichung noch ein-mal im Plastizitätsdiagramm (Bild 6-2) dargestellt.

6.3.2 Korngrößenverteilung

Die Korngrößenverteilung wurde nach DIN 18123bestimmt. Die Körnungslinien der für die weiterenBetrachtungen ausgewählten Böden sind in denBildern 6-3 bis 6-5 dargestellt.

6.3.3 Korndichte

Die Korndichte ρs wurde nach DIN 18124 bestimmt.Die Ergebnisse sind in Tabelle 6-1 enthalten.

24

Bez.Proben

Nr.DIN

18196ISODIN EN

14688-1DIN

4022-1wL wP wS IP Sρ Spätere

Bez.

1 65856 ST fsaSi U, fs 24,74 15,73 19,50 9,01 2,74 TL-4

2 65855 TL fsaSi U,fs 27,89 16,30 19,74 11,59 2,74 TL-1

3 64654 TL fgrsaSi U,s,fg' 28,58 15,48 17,78 13,10 2,71 TL-2

4 66326 TL fsaSi U,fs 27,90 16,90 19,33 11,00 2,72 TL-3

5 65533-B TL fgrfsaCl T, fs, fg' 33,90 17,10 16,62 16,80

6 65405 TM fsaCl T, fs 35,10 19,00 19,63 16,10

7 63690 TM saclSi U,s,t* 36,50 18,70 17,47 17,80 2,71 TM-1

8 63557 TM clsaSi U,s,t 37,79 21,16 25,21 16,63 2,77 TM-2

9 65087 TM sCl T, s 38,70 17,80 12,69 20,90 2,69

10 65407 TM Cl T 39,30 21,80 23,80 17,50

11 65869 TM saclSi U,s,t* 44,90 17,30 15,26 27,60 2,72 TM-4

12 65297-A TM Cl T 46,94 23,89 30,91 23,05

13 65403 TM Cl T 47,10 21,70 14,34 25,40

14 65533-A TA Cl T 50,10 25,10 28,46 25,00

15 65535-B TA Cl T 50,10 22,80 14,55 27,30

16 65088 TA clfsaSi U, fs,t 52,20 20,30 14,87 31,90 2,76 TA-2

17 65534-C TA Cl T 58,00 26,30 12,98 31,70

18 65086 TA fsaCl T, fs* 63,40 23,80 12,20 39,60 2,79

19 65528 TA sasiCl T,u*,s 68,95 28,86 18,46 40,09 2,66 TA-1

Tab. 6-1: Bodenproben


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Bild 6-1: Atterberg’sche Grenzen für die im Zuge der Voruntersuchung klassifizierten Böden

Bild 6-2: Plastizitätsdiagramm nach DIN 18196 mit Darstellung der untersuchten Böden


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Bild 6-3: Korngrößenverteilung der ausgeprägt plastischen Böden

Bild 6-4: Korngrößenverteilung der mittelplastischen Böden


6.3.4 Wasseraufnahmevermögen nachENSLIN/NEFF

Das Wasseraufnahmevermögen ist der Quotientaus dem von einer trockenen Bodenprobe aufge-nommenen Wasser (mwg) zur Trockenmasse desBodens (md) während einer maximalen Versuchs-dauer von 24 h.

Die Versuchsdurchführung und Bewertung des Was-seraufnahmevermögens erfolgten nach DIN 18132.Die Wasseraufnahme wird dabei überwiegend durchdas Feinstkorn beeinflusst. Nach HILTMANN undSTRIBRNy (1998) beeinflusst auch die Hydratationdes Wassers an die Kationen der Tonminerale dieWasseraufnahme eines Bodens stark. Bei diesemProzess spielt die Quellfähigkeit der anzutreffendenTonminerale eine primäre Rolle. Aus den Daten desVersuches lassen sich Rückschlüsse auf die minera-logische Zusammensetzung des Bodenmaterials ab-leiten. Hierbei steht die Aussage von quellfähigenoder nicht quellfähigen Böden im Mittelpunkt. ÜberKorrelationen zwischen Wasseraufnahmevermögenund Atterberg’schen Grenzen ist eine Abschätzungder Fließ- und Ausrollgrenze möglich.

Das Wasseraufnahmevermögen wurde experimen-tell an vier Böden bestimmt. Die Ergebnisse sind inder Tabelle 6-2 dargestellt.

6.3.5 Aktivitätszahl

Die Aktivitätszahl ist ein Kennwert

zur Beschreibung des feinkörnigen Bodens unddessen Quell- und Schrumpfwahrscheinlichkeit.Nach SKEMPTON (1953) wird die Aktivitätszahlaus dem Quotienten der Plastizitätszahl zum pro-zentualen Anteil der Körnung ≤ 0,002 mm be-stimmt. Somit ergeben sich für die Böden die in Ta-belle 6-3 zusammengefassten Aktivitätszahlen.Eine Aktivitätszahl IA < 0,75 entspricht einem inak-tiven Boden. Das Quell- und Schrumpfverhaltendes Bodens wird als gering eingestuft. Böden miteiner Aktivitätszahl zwischen 0,75 < IA < 1,25 geltenals normal aktiv. Ist die Aktivitätszahl IA > 1,25, wirdvon einem aktiven Boden gesprochen.

Da verschiedenen Tonpartikeln ein unterschiedli-ches Quell- und Schrumpfpotenzial zugeordnetwerden kann, kann über die Aktivitätszahl eineerste Abschätzung der tonmineralogischen Zusam-mensetzung erfolgen. Bei einem aktiven Boden

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Bild 6-5: Korngrößenverteilung der leichtplastischen Böden

Bezeichnung TM-2 TM-4 TL-1 TL-4

Wasseraufnahmevermögen wa [%] 74,2 73,4 48,9 43,6

Tab. 6-2: Wasseraufnahmevermögen nach ENSLIN/NEFF


wird zum Beispiel ein hoher Anteil an Smektit ver-mutet. Da jedoch meist eine Mischung verschiede-ner Tonminerale die Eigenschaften eines Bodensbestimmen, ist eine Aussage über dessen Zusam-mensetzung mittels Aktivitätszahl nur bedingt mög-lich.

6.3.6 Mineralogische Zusammensetzung

Die mineralogische Zusammensetzung der Boden-proben wurde mittels einer klassischen Tonmineral-analyse an der Kornfraktion kleiner 2 µm durchge-führt. Die Anteile der einzelnen Tonminerale alsMasseprozent sind in der Tabelle 6-4 dargestellt.

Die Masseprozente werden dabei auf den Masse-anteil der Kornfraktion kleiner 2 µm bezogen. Einevergleichbare Aussage zwischen den einzelnen Bo-denarten ist somit möglich, jedoch sind die Mas-senprozente nach Rietveldanalyse als semiquanti-tativ einzustufen, sodass keine genaue Aussageüber die Tonmineralverteilung in der jeweiligen Bo-denart gemacht werden kann.

Den verschiedenen hier nachweisbaren Tonminera-len werden verschiedene bodenmechanische Ei-genschaften zugewiesen. So können nach HILT-MANN und STRIBRNy (1998) den verschiedenenMineralen unterschiedliche plastische Eigenschaf-ten des Bodens zugewiesen werden (Tabelle 6-4).

Die Grundbausteine der Tonminerale sind im Allge-meinen SiO4-Tetraeder- und Oktaederschichten.Die Ladung der Tonminerale kann zwischen 0 und> 1 variieren. Aus der Analyse kann zwischen Zwei-schichtmineralen (Kaolinit) oder Dreischichtminera-len (Illit, Smektit, Chlorit) unterschieden werden.

Dem Zweischichtmineral kann keine negativeSchichtladung zugeordnet werden. Kaolinit liegtmeist in sechseckiger Blättchenstruktur vor. Smek-tit ist ein Dreischichtmineral, das aufgrund seinernegativen Schichtladung durch austauschbare Ka -tionen kompensiert wird. Einem Boden mit hohemSmektitgehalt wird ein starkes Quell- undSchrumpfverhalten zugeschrieben. Dem Boden TA-1 können solche Eigenschaften zugewiesenwerden. Mit einem Smektitgehalt von 39 Massepro-zent ist dieses Tonmineral sehr stark vertreten. DerBoden TA-1 weist nach Sieblinie einen Tongehaltvon größer 40 % auf; der Schluffanteil des Bodensentspricht ebenfalls ca. 40 %.

Böden mit starkem Kaolinitgehalt wird ein beson-ders hoher Wassergehalt an der Schrumpfgrenzezugeschrieben (Tabelle 6-5). Dies ist bei den unter-suchten Böden vor allem für die Böden TM-1 undTM-4 von Bedeutung. Die Schrumpfgrenzen derbeiden Böden liegen jedoch mit ws = 17,47 % (TM-1) und ws = 15,26 % (TM-4) noch unterhalb derAusrollgrenze (siehe Tabelle 6-1).

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Bezeichnung TL-1 TL-2 TL-3 TL-4 TM-1 TM-2 TM-4 TA-1 TA-2

Aktivitätszahl IA 2,6 0,7 1,7 1,1 1,4 1,3 0,8 0,9 1,7

Tab. 6-3: Aktivitätszahl der untersuchten Bodenproben

Tonmineral [M%] TA-1 TM-1 TM-2 TM-4 TL-1 TL-3 TL-4

Smektit 39 9 21 8 33 34 30

Muscovit/Illit 46 18 51 15 48 50 50

Kaolinit 12 72 7 73 9 6 8

Vermikulit 3 1 - - - - -

Chlorit - - 20 4 10 10 12

Tab. 6-4: Mineralogische Zusammensetzung der Bodenproben

Tonmineral wFließgrenze L [%] wAusrollgrenze p [%] wSchrumpfgrenze s [%]

Smektit 100-900 50-100 8,5-15

Illit 60-120 35-60 15-17

Kaolinit 30-110 25-40 25-29

Chlorit 44-47 36-40

Tab. 6-5: Konsistenzgrenzen einiger Tonminerale, entnommen aus HILTMANN und STRIBRNy (1998)


6.4 Rückschlüsse aus denStandardversuchen

Es ist zu erkennen, das eine Vielzahl von Bödenuntersucht worden ist, um Bodenproben zu finden,die dem Anspruch der Forschung genügen. Hierbeiwar es wichtig, dass sowohl ungestörtes als auchgestörtes Bodenmaterial zur Untersuchung in aus-reichender Menge vorlag. Die Bodenproben stam-men ausschließlich aus Bayern, viele aus der Regi-on München. Es ist daher nicht verwunderlich, dasssich die mineralogische Zusammensetzung derverschiedenen Böden sehr ähnelt. In Tabelle 6-1 sind die Ergebnisse der Klassifizierungsversu-che für sämtliche Böden dargestellt. Nach Auswahlder geeigneten Böden wurden an diesen weitereKlassifikationsversuche durchgeführt. Hierzu zäh-len vor allem die in Kapitel 7 dargestellten Versu-che. In Bild 6-6 ist zur erweiterten Darstellung deruntersuchten Böden der Zusammenhang zwischenPlastizitätszahl (IP = wL – wP) und Schrumpfzahl(IS = wL – wS) dargestellt. Böden, die in Bild 6-6 un-terhalb der gestrichelten Linie aufgetragen sind,weisen einen Wassergehalt an der Schrumpfgren-ze auf, der höher ist als der Wassergehalt an derAusrollgrenze dieses Bodens. Des Weiteren kannaus Bild 6-6 gelesen werden, dass mit steigenderAusrollgrenze auch die Schrumpfgrenze stetig an-steigt. Zur Verdeutlichung dieses Verhaltens wurdeeine Trendlinie in die Abbildung eingefügt, die einennahezu linearen Zusammenhang zwischen Plastizi-tätszahl und Schrumpfzahl wiedergibt. Für Plastizi-tätszahlen IP < 18 % liegt die Trendlinie unterhalbder gestrichelten Linie. Dies bedeutet, dass Boden-

proben mit Plastizitätszahlen von IP < 18 % Was-sergehalte an der Schrumpfgrenze aufweisen, dieoberhalb der Wassergehalte an der Ausrollgrenzeliegen. Um die hier dargestellten Ergebnisse derStandardversuche weiter auszuarbeiten undSchlussfolgerungen für die Klassifizierung der Bo-denproben ziehen zu können, werden die Böden imFolgenden auf ihr Schrumpfverhalten untersucht.

7 Schrumpfgrenze undSchrumpfverhalten

In diesem Kapitel werden neben dem Normversuchzur Bestimmung der Schrumpfgrenze abgewandel-te Versuche zur Untersuchung des Schrumpfver-haltens und zum Einfluss einer Vorbelastung desBodens auf diese durchgeführt. Mit den folgendenVersuchen wird gezeigt, dass die Schrumpfgrenze,wie bereits in den Kapiteln zur Literaturstudie dar-gestellt, nicht allein von den Bodeneigenschaften,sondern auch von der Vorgeschichte des Bodensabhängig ist.

7.1 Untersuchungen zur Schrumpf -grenze nach DIN 18122-2 und zumSchrumpfmaß nach BS 1377

7.1.1 Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2

Für die in Tabelle 6-1 dargestellten Böden wurdedie Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2 ermittelt.Hierbei wurde eine Serie von drei Proben beim

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Bild 6-6: Zusammenhang zwischen Plastizitätszahl und Schrumpfzahl


1,1fachen Wert des Wassergehalts an der Fließ-grenze aufbereitet und für mindestens 24 Stundenin einem geschlossenen Behälter stehen gelassen,sodass sich der Boden homogenisieren konnte. DieProbe wurde dann in einen mit Silikonöl benetztenStahlring, der auf einer Glasplatte steht, luftblasen-frei eingestrichen. Die Silikonölbeschichtung ver-hindert ein Anhaften des schrumpfenden Bodensan der Probenform. Nach Abgleichen der Proben-oberfläche und Wägung wurde diese bei konstanterTemperatur offen stehen gelassen. Nach Erreichendes Farbumschlages wurde die Probe in den Tro -ckenschrank gestellt. Nach Auskühlen der Probe imExsikkator wurden die Trockenmasse und dasTrockenvolumen der Probe bestimmt. Um dieseszu bestimmen, wurden wie in der Norm vorgeschla-gen, einerseits Tauchwägungen nach Aufbringeneiner Schellackschicht wS-Tauch durchgeführt, ande-rerseits wurde das Volumen mit Hilfe der Schieb-lehre wS-SL bestimmt. Die Ergebnisse dieser Versu-che sind in Kapitel 6.3 dargestellt.

7.1.2 Schrumpfmaß nach BS 1377 und DIN18122-2

Das Schrumpfmaß wurde nach BS 1377 ermittelt.Hierfür wurden die Bodenproben beim Wert des1,1fachen Wassergehalts an der Fließgrenze auf-bereitet und zum Homogenisieren mindestens 24Stunden ruhen gelassen. Der Boden wurde an-schließend in mit Silikonöl benetzten Halbzylinder-formen eingestrichen und bis zum Farbumschlagbei Zimmertemperatur stehen gelassen. Nach Er-reichen des Farbumschlages wurde die Probe inden Trockenschrank gestellt und dort bis zur Mas-senkonstanz getrocknet. Die Länge der Bodenpro-be wurde anschließend mit Hilfe einer Schieblehre

und eines Lineals vermessen. Das lineareSchrumpfmaß LS wurde nach BS berechnet (sieheGleichung (3-2)). Des Weiteren wurde aus dem be-stimmten Trockenvolumen des Schrumpfversuchesnach DIN 18122-2 das lineare Schrumpfmaß überGleichung (3-4) errechnet. Das volumetrischeSchrumpfmaß nach Gleichung (3-3) ist ebenfallsaus den Versuchsergebnissen des DIN-Versuchestheoretisch berechnet worden. Die Ergebnisse desVersuches sind in Kapitel 6.3 zusammengefasstund für die einzelnen Bodentypen erläutert; zur An-wendbarkeit dieses Verfahrens vergleiche Kapitel4.1.3.

7.1.3 Ergebnisse TA-1

DIN 18122-2

In Bild 7-1 sind die Ergebnisse des an drei Probendes Bodens TA-1 durchgeführten Schrumpfversu-ches nach DIN 18122-2 dargestellt. Es fällt auf,dass die Schrumpfgrenze, welche mit der Schieb-lehre (wS-SL) bestimmt wurde, im Mittel um ca. 12,5Prozentpunkte von der Schrumpfgrenze abweicht,welche über Tauchwägung (wS-Tauch) bestimmtwurde. Innerhalb eines Bestimmungsverfah-rens weichen die Werte hingegen nur geringfügig voneinander ab. Ein Grund für diesen großen Un-terschied wird im Probenmaterial gesehen. Wie inBild 7-1 zu erkennen, ist die Probe in horizontalerRichtung sehr stark geschrumpft. Das Schrumpf-vermögen über die Höhe ist ebenfalls sehr großund führt zu einer uhrglasförmigen Aufwölbung derProbe. j edoch findet hier die Schrumpfung nur un-regelmäßig statt. Der Boden verwölbt sich stark.Eine genaue Höhenmessung ist mit der Schiebleh-re nicht mehr möglich. Das Volumen, welches aus

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Bild 7-1: Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2 (TA-1)


den Messungen mit der Schieblehre resultiert, isttendenziell zu hoch, da die Schieblehre am höch-sten Punkt der Probe aufliegt und nur dieser Punktbestimmbar ist.

BS 1377

Über die direkte Bestimmung des linearenSchrumpfmaßes (LS) wird für den Boden TA-1 einprozentualer Volumenverlust von 10 % errechnet.Dies entspricht nach Tabelle 3-1 einer mittleren bisgroßen Schrumpfgefahr.

Wird das lineare Schrumpfmaß aus dem Trocken-volumen der Bodenproben nach der Versuchs-durchführung nach DIN 18122-2 rückgerechnet, istdieses geringer als das lineare Schrumpfmaß nachBS 1377. Die berechneten Werte weichen aufgrundder ungenügenden Volumenbestimmung stark voneinander ab. In Bild 7-2 sind die Längen der Bo-denprobe nach dem Schrumpfvorgang Ld BS ange-geben. Dieses kann in ein VolumenschrumpfmaßLS Ring rückgerechnet werden. Es ergeben sich beider Rückrechnung ausschließlich bei ausgeprägt plastischen Böden große Unterschiede zwischen

der Tauchwägung (Vd-Ring-Tauch) und der Versuchs-durchführung mit der Schieblehre (Vd-Ring-SL).


DIN 18122-2

Die Schrumpfgrenzen, welche mit Hilfe einerSchieblehre wS-SL bzw. einer Tauchwägung wS-Tauch bestimmt wurden, weichen bei dieserProbe um 2,2 % voneinander ab. Abermals ist dieüber Tauchwägung bestimmte Schrumpfgrenze ge-ringer als die Schrumpfgrenze, welche mit Hilfe derSchieblehre bestimmt wurde. Dies ist wiederum aufdas Aufwölben der Probe zurückzuführen. Die Un-ebenheit der Probe ist bei dieser Probe bereits we-sentlich geringer als bei TA-1, jedoch ist abermalsein leichtes Aufstellen der Kanten zu beobachten(siehe Bild 7-3).

BS 1377

Der BS-Versuch für den Boden TA-2 ergibt ein li-neares Schrumpfmaß LS = 12,07 %. Das ermittelte

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Bild 7-2: Schrumpfmaß nach BS 1377 (TA-2)

Bild 7-3: Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2 (TA-2)


Probenvolumen bei Massenkonstanz ist hierbeigrößer als das der Probe TA-1. Demnach wäre zuerwarten, dass das lineare Schrumpfmaß derProbe TA-2 geringer ist als das der Probe TA-1.Dies ist allerdings nicht der Fall, sondern es wurdemit einem Schrumpfmaß von 12,07 % ein gegen-über der Probe TA-1 größerer Wert ermittelt. DieLängenmessung der Probe TA-2 war aufgrund desBruchs der Probe jedoch nur eingeschränkt mög-lich (siehe Bild 7-4).

7.1.5 Ergebnisse TM-1

DIN 18122-2

Das Volumen dieses Bodens konnte nur über dieVolumenbestimmung mittels Schieblehre bestimmtwerden. Da der Schellack, welcher zur Tauchwä-gung über die Probe gegeben wurde, immer wiederaufbrach, war eine Bestimmung über Tauchwägungin diesem Fall nicht mehr möglich. Da jedoch dieProbe sehr regelmäßig schrumpfte, ist anzuneh-men, dass die Abweichungen zwischen Tauchwä-gung und Volumenbestimmung mittels Schieblehregering sind (siehe Bild 7-5).

BS 1377

Die Probe des BS-1377-Versuches brach bereitswährend der Phase der Lufttrocknung auseinander.Die Endlänge der Probe wurde bestimmt, indem dieTeilstücke zusammengelegt wurden. Entsprechenddem ermittelten linearen Schrumpfmaß ist dieSchrumpfgefahr des Bodens im mittleren Bereicheinzustufen (siehe Tabelle 3-1 und Bild 7-6).


DIN 18122-2

Für die Bodenprobe TM-2 wurden ebenfalls Unter-suchungen zum Wassergehalt an der Schrumpf-

grenze durchgeführt. Im Vergleich zu den übrigenBöden wurde der Zustand der Proben nach dem Schrumpfvorgang allerdings nicht bildlich do-kumentiert. Der Wassergehalt an der Schrumpf-grenze, der mittels Tauchwägung bestimmt wurde,beträgt im Mittel 24,85 %. Der mittels Schieblehreermittelte Wassergehalt an der Schrumpfgrenzebeträgt 31,25 % und liegt damit ca. 6,15 % überdem mittels Tauchwägung bestimmten Wasser-gehalt an der Schrumpfgrenze. Für die Fließ- und Ausrollgrenze wurden Werte von wL = 37,8 %und wP = 21,2 % bestimmt. Damit ist bei der ProbeTM-2 der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze wS größer als der Wassergehalt an der Ausroll-grenze wP.

7.1.7 Ergebnisse TL-1

DIN 18122-2

Wie in Bild 7-7 zu erkennen ist, ist die Schrumpffä-higkeit dieses Bodens vergleichsweise gering. Diemittels Tauchwägung bzw. Schieblehre ermitteltenWassergehalte an der Schrumpfgrenze wS-Tauchbzw. wS-SL unterscheiden sich nur geringfügig.

BS 1377

Der BS-Versuch ergab ein sehr geringes linearesSchrumpfmaß von 2,57 %. Das entspricht einemgeringen Schrumpfvermögen (siehe Bild 7-8).


DIN 18122-2

Die Ausrollgrenze der Probe TL-2 liegt mit wP =15,5 % deutlich unter der Schrumpfgrenze nachTauchwägung (wS-Tauch = 18,0 %) oder mittels Be-stimmung mit der Schieblehre (wS-SL = 21,9 %)(siehe Bild 7-9).

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Bild 7-4: Schrumpfmaß nach BS 1377 (TA-2)


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Bild 7-6: Schrumpfmaß nach BS 1377 (TM-1)

Bild 7-7: Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2 (TL-1)

Bild 7.8: Schrumpfmaß nach BS 1377 (TL-1)

Bild 7-5: Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2 (TM-1)


BS 1377

Der leichtplastische Boden weist ein linearesSchrumpfmaß von 3,4 % auf. Das Volumen-schrumpfmaß beträgt rund 20 %. Das aus demTrockenvolumen des DIN-Versuches bestimmte li-neare Schrumpfmaß beträgt 11,21 % und liegtdamit über dem nach BS 1377 bestimmtenSchrumpfmaß (siehe Bild 7-10).

7.2 Untersuchung des Schrumpf -verhaltens des Bodens ohneAuflast

7.2.1 Ziel

Ziel der Untersuchungen ist es, den Zusammen-hang zwischen Wassergehalt und Schrumpfung zubestimmen. Damit sollen die Ergebnisse derSchrumpfversuche nach DIN 18122-2 beurteilt wer-den. Gleichzeitig sollen die Ergebnisse als Ver-gleichswerte für die späteren Untersuchungen desSchrumpfverhaltens nach Belastung dienen. DesWeiteren wurde untersucht, wie sich das Größtkorn

auf die Schrumpfgrenze auswirkt. Dazu wurde an-stelle des nach DIN 18122-2 vorgegebenen Größt-korns von 0,4 mm ein Größtkorn von 2,0 mm ver-wendet. Der Boden weist somit eine veränderte Po-renraumstruktur gegenüber dem DIN-Versuch auf.Eine Untersuchung des Einflusses des Feinkornan-teils ist somit mit einfachen Mitteln möglich.

7.2.2 Versuchsdurchführung nach DIN 18122-2

Die Untersuchungen wurden an einem ausgeprägtplastischen (TA-1), einem mittelplastischen (TM-1)und einem leichtplastischen (TL-1) Boden durchge-führt. Die Proben sind wie bereits in Kapitel 7.1 be-schrieben nach DIN 18122-2 aufbereitet und ge-schrumpft worden. Während des Schrumpfvorgan-ges wurden in regelmäßigen Abständen die Masseder Proben und das Volumen mittels Schieblehrebestimmt und dokumentiert.

In den grafischen Darstellungen des Schrumpfsvor-ganges ist die Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2eingezeichnet. Die zweite Linie kennzeichnet eineAuswertung der Schrumpfgrenze über den Schnitt-

34

Bild 7.9: Auswertung der Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2 (TL-2)

Bild 7.10: Schrumpfmaß nach BS 1377 (TL-2)


punkt des Primärschrumpfastes mit dem Rest-schrumpfast (siehe Kapitel 3). Die angegebenenSchrumpfgrenzen beziehen sich auf die Gleichung(3-1) nach DIN 18122-2 (siehe Bilder 7-11, 7-13und 7-14).


Wie in Bild 7-11 dargestellt, laufen bei dem ausge-prägt plastischen Ton TA-1 die Messdaten nicht ent-lang der Sättigungslinie, sondern parallel im großenAbstand zu dieser. Diese Verschiebung des Pri-märschrumpfastes ist darauf zurückzuführen, dassdie Probe sich sehr stark verwölbt hat. Die Mes-sung mit der Schieblehre ergab damit zu großeHöhen der Probe. Eine Volumenverminderung beigleichem Wassergehalt führt zu einer Verschiebungdes Schrumpfastes in Richtung Vollsättigung. Es istzu erkennen, dass die Primärschrumpfung annä-hernd parallel zur Sättigungslinie läuft. Die nachGleichung (3-1) bestimmte Schrumpfgrenze gemäßDIN 18122-2 unter dem mittels Tauchwägung be-stimmten Volumen ist in das Diagramm eingezeich-net. Die Schrumpfgrenze beträgt in diesem Fallrund 27 %, während die Schrumpfgrenze, welchesich über den Schnittpunkt der Tangentenneigun-gen des Primärschrumpfastes und der Rest-schrumpfung ergibt, gerade 11,5 % beträgt.

Es ist anzunehmen, dass mit Hilfe der Tauchwä-gung das Volumen besser bestimmt werden kannund somit die Fehler der Volumenbestimmung mit-tels Schieblehre umgangen werden können. j e-doch ist es mit dieser Methode nicht möglich, dasSchrumpfverhalten in Abhängigkeit vom Wasserge-halt darzustellen. Die Problematik der zerstörungs-freien Volumenbestimmung wurde nicht weiter ver-folgt, da bereits aus Gründen der Aussagefähigkeitdes Wassergehalts an der Schrumpfgrenze die Be-stimmung der Schrumpfgrenze als Grenzkriteriumzwischen halbfestem und festem bindigem Boden

35

Bild 7-11: Untersuchung des Schrumpfverhaltens ohne Auflast (TA-1)

Bild 7.12: Aufwölben der Probe


zur Klassifizierung feinkörniger Böden nach DIN18300 als ungeeignet eingeschätzt worden ist.


Der Primärschrumpfast der Probe TM 1 läuft eben-falls nahezu parallel zur Sättigungslinie des Bodens(Bild 7-13). Die Restschrumpfung, welche nach DIN18122-2 gleich null angenommen wird, beträgt hierrund 5 % der Gesamtschrumpfung. Die beiden be-stimmten Schrumpfgrenzen stimmen annäherndüberein. Sie liegen bei einem Wassergehalt von ca.19 %. Es ist auffällig, dass der erste Messwert, wel-cher direkt nach Einfüllen der Probe (Ausgangsvo-lumen entspricht Stahlring) bestimmt wurde, nichtauf der Sättigungslinie liegt. Dies wird in weiterenUntersuchungen näher betrachtet werden.

7.2.4.1 Ergebnisse TL-1

Das entsprechend DIN 18122-2 bestimmteSchrumpfmaß ist bei TL-1 nur geringfügig kleinerals das Schrumpfmaß, welches mittels Tangenten-schnittpunkten ermittelt wurde (Bild 7-14). EinMesswert liegt oberhalb der Sättigungslinie. Es wirdein Ablesefehler auf der Schieblehre vermutet. DieVolumenbestimmung war aufgrund des gleichmäßi-geren Schrumpfverhaltens des leichtplastischenBodens genauer möglich als bei den Böden mittle-

rer und ausgeprägter Plastizität. j edoch ist die Vo-lumenveränderung des Bodens so gering, dasskleine Messungenauigkeiten sofort sichtbar wer-den. Die Schrumpfgrenze, welche nach DIN 18122-2 bestimmt wurde, entspricht in etwa der hier ermit-telten Schrumpfgrenze.

7.2.5 Versuchsdurchführung in Anlehnung anDIN 18122-2 mit Größtkorn 2 mm

Das Schrumpfverhalten von Böden wurde, wie be-reits in Kapitel 7.2.1 beschrieben, ebenfalls fürBöden mit einem Größtkorn von 2 mm durchge-führt. Somit konnte der Einfluss des Größtkorns er-mittelt werden.

Die Untersuchungen waren erforderlich, um die imRahmen des Forschungsvorhabens durchgeführ-ten Festigkeitsuntersuchungen, die an aufbereite-ten Böden mit einem Größtkorn von 2 mm durch-geführt wurden, bewerten zu können.


In Bild 7-15 ist repräsentativ für den Boden TM-4das Schrumpfverhalten mit Größtkorn 0,4 mm undmit Größtkorn 2 mm aufgetragen. Das Volumen der Probe TM-4 (2 mm) konnte bereits frühzeitig be-obachtet werden. Es fällt auf, dass der Schrumpfast

36

Bild 7-13: Untersuchung des Schrumpfverhaltens ohne Auflast (TM-1)


der Primärschrumpfung parallel zur Sättigungslinieverläuft. Des Weiteren ist zu erkennen, dass bei derProbe mit kleinerem Korndurchmesser die Endpo-renzahl ed = 0,38 geringer ist als bei der Probe mit2 mm Größtkorn (ed = 0,48). Die Primärschrump-fung erfolgt bei der Probe TM-4 (0,4 mm) bis zu

einem geringeren Wassergehalt, bevor die Probeins Restschrumpfen übergeht. Eine kleinere Poren-zahl spricht für ein größeres Endvolumen und somitfür eine ansteigende Schrumpfgrenze bei kleinerwerdendem Korndurchmesser. Dies bestätigt dieAnnahme, dass das Korngefüge einen Einfluss auf

37

Bild 7-14: Untersuchung des Schrumpfverhaltens ohne Auflast (TL-1)

Bild 7-15: Porenzahl zu volumetrischem Wassergehalt (TM-4)


die Schrumpfgrenze hat. Die Primärschrumpfung istweitgehend unabhängig vom Größtkorn, jedochgeht die Probe mit größerem Größtkorn früher in dieRestschrumpfung über.

7.2.7 Zusammenfassung

In Tabelle 7-1 sind die nach DIN 18122-2 bestimm-ten Schrumpfgrenzen für ein Größtkorn d = 0,4 mmund d = 2,0 mm aufgeführt. Für alle untersuchtenBodenproben liegt der Wassergehalt an derSchrumpfgrenze des Bodens mit einem Größtkornvon 2 mm unterhalb der Schrumpfgrenze des Bo-dens mit einem Größtkorn von 0,4 mm. Besondersdeutlich ist dies bei den Böden TM-2 und TM-4 zuerkennen. Der Boden TM-2 weist zudem mit ca. 26 % eine sehr hohe Schrumpfgrenze auf, die deut-lich oberhalb der Ausrollgrenze (wP = 21 %) des Bo-dens liegt. Der Boden TM-4 folgt mit einer Ausroll-grenze wP = 17,3 % und einer Schrumpfgrenze vonca. ws = 16 % den Vorstellungen der Atter-berg’schen Plastizitätsgrenzen. Die Böden TL-1 undTL-3 weisen ebenfalls höhere Wassergehalte an derSchrumpfgrenze als an der Ausrollgrenze auf.

7.3 Versuchsreihen zur Ermittlung derAuswirkung der Vorbelastung desBodens auf sein Schrumpf -verhalten

7.3.1 Ziel

Im Anschluss an die Versuche zur Bestimmung desSchrumpfverhaltens bei einer Versuchsdurchfüh-rung nach DIN 18122-2 wurde für die Böden TA-1,TM-1 und TL-1 das Schrumpfverhalten nach ver-schiedenen Auflastspannungen beobachtet. Zieldes Versuches war es, den Einfluss unterschiedli-cher Vorbelastungen auf das Schrumpfverhaltendes Bodens nachzuvollziehen.

7.3.2 Versuchsdurchführung

j eweils vier Bodenproben wurden bei einem Was-sergehalt zwischen der 1,2- und 1,3fachen Fließ-

grenze aufbereitet und mindestens für 24 Stundenzur Homogenisierung in einem geschlossenen Be-hälter aufbewahrt. Der Boden wurde anschließendluftblasenfrei in die Ödometerringe eingestrichen.Aufgrund der anfangs flüssigen Konsistenz der Bo-denproben wurden diese nachfolgend sehr lang-sam belastet (Tabelle 7-2).

Der Versuch wurde unter gesättigten Verhältnissendurchgeführt, um ein Austrocknen der Probe undsomit ein verfrühtes Schrumpfen zu vermeiden. DieWasserzufuhr wurde nach dem Aufsetzen desStempels und dem Einbau der Probe in die Ödo-meterbank geöffnet. Die Last wurde im Regelfallnach jeweils 24 Stunden in Anlehnung an die DIN18135 verdoppelt. Dabei ist zu beachten, dass dieGröße der jeweiligen Laststufen, insbesondere derletzten Laststufe, von den verwendeten Kompres -sionsgeräten abhängt und es dadurch im Hinblickauf die aufgebrachten Spannungen zu Unterschie-den zwischen den einzelnen Proben kommen kann.Nach Erreichen der für die Probe vorgesehenenEndlaststufe (Tabelle 7-2) wurde diese zügig aus-gebaut. Die Wasserzufuhr wurde vor der Entlastungdes Bodens unterbrochen, um eine mögliche Quel-lung der Probe zu vermeiden.

38

Boden TM-2 TL-1 TL-3 TM-4

Ausrollgrenze (0,4 mm) [%] 21,16 16,30 16,90 17,30

Schrumpfgrenze (2 mm) [%] 25,57 19,80 19,33 15,26

Schrumpfgrenze (0,4 mm) [%] 26,75 20,24 19,45 16,22

Δ wS 0,4 mm - Δ wS 2 mm [%] 1,19 0,44 0,12 0,96

Tab. 7-1: Gegenüberstellung des Wassergehalts an der Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2

stufen

Belas -tungs-

Gewicht

[kg]

derauf Probe

Spannung

[kPa]

σ Gewicht

[kg]

am Hebel-arm

Nr

fürstufe

.

Endlast-

Probe

I 0,76 1,97 0

II 1,76 4,57 0,2

III 2,76 7,17 0,4

IV 5,76 14,97 1

V 10,76 27,96 2

VI 20,76 53,94 4

VII 40,76 105,91 8 1

VIII 80,76 209,85 16

IX 160,76 417,73 32 2

X 320,76 833,48 64 3

XI 640,76 1.664,98 128 4

Tab. 7-2: Belastungsstufen der Proben


Das Volumen der Probe verringert sich mit zuneh-mender Belastung derselben. Ebenso verkleinertsich das Trockenvolumen. Nach dem vorsichtigenAusbau der Probe aus dem Ödometerring wurdediese auf einer mit Silikonöl bestrichenen Glas-scheibe platziert. Dies soll ein dreidimensionalesSchrumpfen der Probe ermöglichen. Die Bödenwurden unter konstanten klimatischen Bedingun-gen (Luftfeuchte 54 %, Temperatur 19,5 °C) ge-trocknet. Das Volumen der Proben wurde durchVermessung mit Schieblehre in regelmäßigen Abständen bestimmt. Hierbei wurden mindestens3 Messpunkte auf der Probe angezeichnet, um beieiner wiederholten Messung mögliche Uneben -heiten der Probe als Fehlerquelle für Messunge-nauigkeiten weitgehend vermeiden zu können.Das Volumen und die Masse der Probe wurden solange beobachtet, bis die Masse zweier Messun-gen mit mehrstündigem Abstand sich weniger alsein Zehntel Gramm verringerte. Die Böden wurdenfür weitere 24 Stunden in einen Trockenschrankgestellt, bevor das Volumen bei Massenkonstanzwiederum mittels Schieblehre bestimmt wurde.

Probleme während der Versuchsdurchführung

Das Aufsetzen des Ödometerstempels ist aufgrundder flüssigen Konsistenz des Bodens problema-tisch. Ein Aufsetzen direkt nach Einbau der Probewar bei den mittel- und ausgeprägt plastischenBöden nicht möglich. Ein direktes Belasten des Bo-dens führt zum Herausquetschen von Bodenmate-rial zwischen Stempel und Ödometerring. Um dieszu vermeiden, wurden die Proben einige Stundenan der Umgebungsluft stehen gelassen. Dadurchtrocknet der Boden oberflächennah etwas ab undgewinnt ausreichend Festigkeit, um die Belastungder Probe mit dem Stempel zu ermöglichen. Erstdann wurde die Probe in die Ödometerbank einge-baut. Das Aufsetzen des Stempels war dennochproblematisch, da es sehr leicht zu einer Schräg-stellung kommt. Beim Ausbau der Proben werdendie Böden nach Entlastung und Ausbau des Ödo-meterrings mit Hilfe des Stempels durch den Ödo-meterring hindurchgedrückt. Das Abziehen desStempels von der konsolidierten Probe kann hierbeiebenfalls zu einer Veränderung der Probenoberflä-che führen.

Durch den flüssigen Einbau der Probe kann dieAusgangsposition des Stempels nicht mit derMessuhr bestimmt werden. Aufgrund des oberflä-chigen Antrocknens des Bodens vor Einbau der

Probe in die Ödometerbank beträgt die Nullpositiondes Stempels nicht die durch den Ring vorgegebe-nen 20 mm, sondern ist geringfügig kleiner. Ebensowird die Probe beim Aufbringen des Stempels vorAufsetzen der Messuhr gestaucht. Die genaueGröße der Stauchung ist ebenfalls nicht bekannt.Somit ist die Ausgangssituation vor Beginn desSchrumpfvorganges nur unzureichend bekannt.Dieses Problem tritt vor allem bei Böden ausge-prägter Plastizität auf, da diese aufgrund der wei-chen Konsistenz des Bodens beim Ausbau nichtsofort mittels Schieblehre vermessen werden kön-nen. Leichtplastische Böden weisen nach Ausbauder Probe eine festere Konsistenz auf und könnensofort mit Hilfe der Schieblehre vermessen werden.


7.3.3.1 Einaxialer Kompressionsversuch

In Tabelle 7-3 sind die Versuchsergebnisse der Be-lastung des Bodens im Ödometer bis zu einer End-lastsstufe von 1.509,07 kPa dargestellt. Die Ergeb-nisse der drei weniger stark belasteten Bodenpro-ben sind nicht aufgelistet. Sie sind den dargestell-ten Ergebnissen aber sehr ähnlich.

Die Anfangsprobenhöhe wurde von 20 mm auf ge-schätzt 18,5 mm heruntergesetzt (siehe Tabelle 7-3), da vor dem Aufbringen des Stempels dieOberfläche der Probe bereits durch Wasserabgabegeschrumpft war. Nach Einbau des Kompressions-apparates und stufenweiser Belastung wurde dieVeränderung der Höhe über eine Messuhr regel-mäßig aufgezeichnet.

Die Ergebnisse der Kompressionsversuche sind inBild 7-16 bis Bild 7-18 dargestellt. Es ist zu erken-nen, dass der Steifemodul mit der Spannung nähe-rungsweise linear zunimmt und bei einer Spannungvon σ’ = 1.170 kPa einen Wert ES = 15,5 MN/m2 er-reicht.

Die Eigenschaften der vier belasteten Bodenpro-ben sind in Tabelle 7-4 zusammenfassend darge-stellt. Es ist zu erkennen, dass die Proben nachverschiedenen Belastungsstufen ausgebaut wur-den. Hierbei gibt wAB den Ausbauwassergehalt derBodenprobe an. Dieser muss für die Bodenprobenmit zunehmender Belastung sinken. Ein solchesVerhalten ist für den Boden TA-1 I nicht erkennbar.Dies ist auf einen Fehler in der Versuchsdurchfüh-rung zurückzuführen. Die Ausbauhöhe des Probe-körpers (hAB) wurde mittels Schieblehre bestimmt.

39


40

Bild 7-16: Spannungs-Zusammendrückungsdiagramm

Bild 7-17: Beziehung zwischen Steifemodul und Vertikal-spannung

V

σ´

ertikal-spannung

m

Messuhr-ablesung

h

Probehöhe Bezogene Setzung

ε*

Bezogene Setzung

ε* e

Porenzahl

Es

Steifemodul

σÉ

Spannung für s

[kPa] [1/100 mm] [mm] [-] [%] [-] [MN/m²] [kPa]

0 0,0 18,50 0,0000 0,00 2,3382 0,0 0,0

1,97 4,9 18,45 0,0026 0,26 2,3293 0.0 0.0

4,57 17,4 18,33 0,0094 0,94 2,3068 0,4 3,3

9,14 91,6 17,58 0,0495 4,95 2,1729 0,1 6,9

14,97 368,8 14,81 0,1994 19,94 1,6727 0,0 12,1

27,96 471,2 13,79 0,2547 25,47 1,4879 0,2 21,5

53,94 573,0 12,77 0,3097 30,97 1,3042 0,4 41,0

105,91 643,6 12,06 0,3479 34,79 1,1768 0,9 79,9

209,85 707,9 11,42 0,3826 38,26 1,0608 2,0 157,9

417,73 767,2 10,83 0,4147 41,47 0,9538 4,0 313,8

833,48 822,2 10,28 0,4444 44,44 0,8546 8,2 625,6

1.509,07 867,0 9,83 0,4686 46,86 0,7737 15,5 1.171,3

Tab. 7-3: Versuchsdaten einaxialer Kompressionsapparat (TA-1)


7.3.3.2 Schrumpfverhalten

Das Schrumpfverhalten des ausgeprägt plasti-schen Tons ist in Bild 7-19 bis Bild 7-22 für die ver-schiedenen Auflaststufen dargestellt. In Bild 7-19 istdas Schrumpfverhalten des mit 105,9 kPa belaste-ten Bodens dargestellt. Die Primärschrumpfungverläuft in diesem Fall direkt auf der Sättigungslinie,der Lufteintrittspunkt in den Boden, welcher denÜbergang zur Restschrumpfung markiert, ist hierbei einem Wassergehalt von rund 20 % anzuneh-men. Die Restschrumpfung verläuft hier nahezuwaagerecht. Daher ist der Abstand zwischen derüber den Ausbauwassergehalt gemäß DIN 18122-2bestimmten Schrumpfgrenze und der Schrumpf-grenze, die konstruktiv ermittelt wurde, nur gering.

Werden die Ergebnisse des Schrumpfverhaltensnach Belastung des Bodens mit dem Schrumpfver-halten ohne vorherige Belastung verglichen, fälltbesonders auf, dass die belasteten Böden sichnicht aufwölben. Nach einer Belastung ist somiteine genauere Volumenbestimmung möglich.

In Bild 7-23 ist der volumetrische Wassergehalt derPorenzahl für alle fünf Belastungsstufen des TA-1gegenübergestellt. Es ist ersichtlich, dass mit stei-gender Vorbelastung der Bodenprobe die Poren-zahl im Endzustand ed abnimmt. Die Bödenschrumpfen alle parallel zur Sättigungslinie. DieRestschrumpfung verläuft bei allen Bodenprobenannähernd horizontal. Aufgrund der Schwierigkei-ten bei der Messung des unbelasteten Bodens mitSchieblehre wurde die Porenzahl in diesem Fall aufdie Endporenzahl ed nach Tauchwägung rückge-rechnet und der Schrumpfast um die Differenz zwi-schen der mittels Schieblehre ermittelten Porenzahlund der mittels Tauchwägung ermittelten Porenzahlparallel verschoben.

41

Bild 7-18: Porenzahl e/Zusammendrückung ε* über Span-nung σ´

I II III IV

kPa105,91

kPa417,73

kPa833,48

kPa1.509,07

d0 = [cm] 7,00 7,00 7,00 7,00

h0 = [cm] 1,85 1,85 1,85 1,85

hAB = [cm] 12,57 11,96 11,21 9,83

m0 = [g] 105,70 104,60 103,80 103,40

md = [g] 59,72 57,69 54,64 56,69

w0 = [%] 86,45 86,95 86,20 82,40

e0 = [g/cm³] 2,34 2,39 2,39 2,34

ρs = [g/cm³] 2,66 2,66 2,66 2,66

eAB = [-] 1,27 1,18 1,06 0,77

mAB = [g] 71,04 73,39 70,98 71,04

wAB = [%] 25,31 31,17 27,32 25,30

IC = [-] 1,09 0,94 1,04 1,09

Tab. 7-4: Bodenkennwerte Ödometerversuch (TA-1)


42

Bild 7-19: Schrumpfverhalten nach einer Auflast von 106 kPa (TA-1 I)

Bild 7-20: Schrumpfverhalten nach einer Auflast von 418 kPa (TA-1 II)


43

Bild 7-21: Schrumpfverhalten nach einer Auflast von 833 kPa (TA-1 III)

Bild 7-22: Schrumpfverhalten nach einer Auflast von 1.509 kPa (TA-1 IV)


7.3.3.3 Zusammenhang zwischen Auflast -spannung und Schrumpfgrenze

Durch die aufgebrachte Auflastspannung verringertsich tendenziell der Wassergehalt an der Schrumpf-grenze (Bild 7-24). Dieser Trend ist wahrscheinlichauf das Einregeln der Bodenteilchen zurückzufüh-ren.

Die Porenzahl und somit der Wassergehalt an derSchrumpfgrenze sollten mit zunehmender Belas -tung abnehmen. Die Vorbelastung von 106 kPaführte jedoch zu einer geringeren Schrumpfgrenze,als dies nach Bild 7-24 anzunehmen wäre. DieSchrumpfgrenze für diesen Probekörper ergibt sichzu 17,4 %. Werden die Ergebnisse der anderenProbekörper herangezogen, sollte die Schrumpf-grenze für diesen Probekörper bei einem Wasser-gehalt von rund 18,3 % liegen.



Die unten dargestellten Versuchsergebnisse bezie-hen sich ausschließlich auf die Probe, die bis zurmaximalen Vertikalspannung von 1.483,09 kPa be-lastet wurde. Die geringer belasteten Proben ver-halten sich ähnlich, da der bei 1,3facher Fließgren-ze aufbereitete Boden homogen ist. In Tabelle 7-5

sind die Versuchsdaten des Ödometerversuchs zu-sammengefasst dargestellt. Grafische Auswertun-gen dieser Daten sind in den Bildern 7-25 bis 7-27dargestellt. Die Messuhrablesung bezieht sich aufeine Ausgangshöhe der Probe von 18,5 mm. Somitkann sich eine bezogene Setzung von ε* = 0,27 beieiner Belastung von σ = 1.483 kPa einstellen. Es istdeutlich zu erkennen, dass mit wachsender Belas -tung die Porenzahl abnimmt. Somit nimmt der Stei-femodul ES des Bodens zu.

44

Bild 7-23: Porenzahl über volumetrischem Wassergehalt (TA-1)

Bild 7.24: Zusammenhang zwischen Auflastspannung undSchrumpfgrenze (TA-1)


45

V

σ´

ertikal-spannung

m

Messuhr-ablesung

h


ε*

Bezogene Setzung

ε* e

Porenzahl

Es

Steifemodul

σÉ

Spannung für s

[kPa] [1/100 mm] [mm] [-] [%] [-] [MN/m²] [kPa]

0 0.0 18.50 0.0000 0.00 1.2264 0.0 0.0

1.97 0.8 18.49 0.0004 0.04 1.2255 0.0 0.0

4.57 26.8 18.23 0.0145 1.45 1.1942 0.2 3.3

7.17 38.9 18.11 0.0210 2.10 1.1796 0.4 5.9

14.97 98.8 17.51 0.0534 5.34 1.1075 0.2 11.1

27.96 163.3 16.87 0.0883 8.83 1.0299 0.4 21.5

53.94 223.5 16.27 0.1208 12.08 0.9575 0.7 41.0

105.91 281.4 15.69 0.1521 15.21 0.8878 1.5 79.9

313.79 381.3 14.69 0.2061 20.61 0.7675 3.3 209.9

417.73 402.0 14.48 0.2173 21.73 0.7426 7.4 365.8

833.48 461.3 13.89 0.2494 24.94 0.6713 10.2 625.6

1.483.09 506.4 13.44 0.2737 27.37 0.6170 20.0 1.158.3

Tab. 7-5: Versuchsdaten einaxialer Kompressionsapparat (TM-1)

Bild 7-25: Spannungs-Zusammendrückungsdiagramm (TM-1)

Bild 7-26: Beziehung zwischen Steifemodul und Vertikalspan-nung (TM-1)



In Tabelle 7-6 sind die Eigenschaften beim Ein- undAusbau der Probekörper des Bodens TM-1 ange-geben. Die Einbaudichte der Probe IV, die bis zurmaximalen Belastung von 1.483 kPa belastetwurde, entspricht 1,22 g/cm³. Der Einbauwasserge-halt beträgt etwa den 1,3fachen Wassergehalt derProbe an der Fließgrenze. Bei maximaler Lastnimmt der Wassergehalt der Probe zwischen Ein-und Ausbau um ca. 61,8 % ab.

Der Boden TM-1 wies bei Ausbau eine Porenzahlvon 0,62 bei Probe IV auf (Tabelle 7-6). Der Aus-bauradius wies aufgrund der vorhergehenden Be -lastung im Kompressionsapparat und der behinder-ten Seitendehnung bei allen Böden 7 cm auf.

Der Ausbauwassergehalt nimmt mit zunehmenderAuflastspannung ab. Wie bereits in Kapitel 7.2 erläutert, ist die Bestimmung des Ausbauvolu-mens aufgrund der Konsistenz des Bodens nichtgenau.

Es ist des Weiteren in Bild 7-28 zu erkennen, dasseine Messwerthäufung im Bereich von ca. 4 %Wassergehalt des Bodens auftritt. Der Wasserge-

halt des Bodens hat sich hier den Umgebungsbe-dingungen annähernd angeglichen. Es kommt überlange Zeiträume zu nur geringen Veränderungen inder Bodenmasse und dem Bodenvolumen. Da dasBodenvolumen in dieser Zeit ebenso häufig ge-messen wurde wie in den anderen Zeiträumen,häufen sich die Messwerte.

Die Proben TM-1 III und TM-1 IV weisen währenddes Schrumpfvorganges vereinzelt einen Wasser-gehalt oberhalb des Wassergehaltes bei vollständi-ger Sättigung (Sr = 1) auf (siehe Bild 7-30 und Bild7-31). Die entsprechenden Werte müssen fehler-haft sein, da ein Sättigungsgrad größer als 100 %nicht erreicht werden kann. Die Quelle für dieseFehler liegt vermutlich bei der Volumenbestimmungdes Bodens.

Zusammenfassung und Auswertung

In Bild 7-32 ist das Schrumpfverhalten der fünf un-terschiedlich vorbelasteten Bodenproben aufgetra-gen. Mit zunehmender Vorbelastung sinkt die Po-renzahl an der Schrumpfgrenze. Die Streuung derMesswerte wird auf Ungenauigkeiten bei der Volu-menbestimmung zurückgeführt. Es wurden zur Be-stimmung der Probenhöhe drei Messpunkte amRand der Probe genutzt. Die Höhenveränderung inder Probenmitte blieb bei dem Versuch TM-1 unbe-rücksichtigt. Es ist zu erkennen, dass die Endpo-

46

Bild 7-27: Porenzahl e/Zusammendrückung ε* über Spannungσ´ (TM-1)

I II III IV

kPa105,91

kPa417,73

kPa833,48

kPa1.483,09

d0 = [cm] 7,00 7,00 7,00 7,00

h0 = [cm] 1,85 1,85 1,85 1,85

hAB = [cm] 1,53 1,39 1,37 1,34

m0 = [g] 134,20 135,60 134,10 127,00

md = [g] 91,46 91,96 89,77 86,50

w0 = [%] 46,73 47,46 49,38 46,80

e0 = [g/cm³] 1,11 1,09 1,14 1,22

ρs = [g/cm³] 2,71 2,71 2,71 2,71

eAB = [-] 0,74 0,57 0,58 0,62

mAB = [g] 116,00 112,22 107,48 101,98

wAB = [%] 26,83 22,03 19,73 17,90

IC = [-] 0,54 0,81 0,94 1,04

Tab. 7-6: Bodenkennwerte Ödometerversuch (TM-1)


renzahl ein weites Spektrum (0,3 bis 0,5) umfasst.Die Restschrumpfungsäste der Proben verlaufenetwa parallel zueinander. Der Beginn der Rest-

schrumpfung wird mit zunehmender Auflastspan-nung entlang der Sättigungslinie nach unten ver-schoben.

47

Bild 7-28: Schrumpfverhalten nach einer Auflast von 106 kPa (TM-1 I)

Bild 7-29: Schrumpfverhalten nach einer Auflast von 418 kPa (TM-1 II)


48

Bild 7-30: Schrumpfverhalten nach einer Auflast von 833 kPa (TM-1 III)

Bild 7-31: Schrumpfverhalten nach einer Auflast von 1.483 kPa (TM-1 IV)


7.3.4.3 Zusammenhang zwischenAuflastspannung und Schrumpfgrenze

Wie in Bild 7-33 zu erkennen ist, nimmt der ermit-telte Wassergehalt an der Schrumpfgrenze mitwachsender Belastung des Bodens ab. Es ist desWeiteren zu erkennen, dass die Schrumpfgrenzemit zunehmender Vorbelastung weniger stark ab-nimmt. Die Schrumpfgrenze scheint sich einemGrenzwert zu nähern.

Die Differenz zwischen Ausbauwassergehalt undWassergehalt an der Schrumpfgrenze nimmt mitzunehmender Belastung ab.

49

Bild 7-32: Porenzahl über volumetrischem Wassergehalt (TM-1)

Bild 7-33: Zusammenhang zwischen Auflastspannung undSchrumpfgrenze (TM-1)




Die Bodenproben wurden bis zu einer maximalenSpannung von 1.509 kPa belastet. Die Porenzahl

nimmt bei steigender Belastung ab und beträgt beiMaximalbelastung e = 1,70 (vgl. Tabelle 7-7). Diegrafische Auswertungen dieser Daten sind inBild 7-34 bis Bild 7-36 dargestellt.

50

V

σ´

ertikal-spannung

m

Messuhr-ablesung

h


ε*

Bezogene Setzung

ε* e

Porenzahl

Es

Steifemodul

σÉ

Spannung für s

[kPa] [1/100 mm] [mm] [-] [%] [-] [MN/m²] [kPa]

0 0,0 18,50 0,0000 0,00 2,2620 0,0 0,0

1,97 0,3 18,50 0,0002 0,02 2,2615 0,0 0,0

4,57 9,5 18,41 0,0048 0,48 2,2465 0,6 3,3

9,14 42,4 18,08 0,0212 2,12 2,1929 0,3 6,9

14,97 87,9 17,62 0,0440 4,40 2,1186 0,3 12,1

27,96 125,7 17,24 0,0629 6,29 2,0570 0,7 21,5

53,94 161,9 16,88 0,0810 8,10 1,9979 1,3 41,0

105,91 201,6 16,48 0,1008 10,08 1,9332 2,4 79,9

209,85 235,8 16,14 0,1179 11,79 1,8774 5,5 157,9

417,73 271,3 15,79 0,1357 13,57 1,8195 10,3 313,8

833,48 308,8 15,41 0,1544 15,44 1,7584 19,2 625,6

1.509,07 343,7 15,06 0,1719 17,19 1,7014 32,7 1.171,3

Tab. 7-7: Versuchsdaten einaxialer Kompressionsapparat (TL-1)

Bild 7-35: Porenzahl e/Zusammendrückung ε* über Spannungσ´ (TL-1)

Bild 7-34: Spannungs-Zusammendrückungsdiagramm (TL-1)



In Tabelle 7-8 sind die Eigenschaften beim Ein- undAusbau der Probekörper des Bodens TL-1 angege-ben. Der Einbauwassergehalt der Proben liegt mitWerten zwischen 32,2 % und 35,5 % im Bereichdes 1,1- bis 1,3fachen Wassergehaltes an derFließgrenze. Die Ausbauwassergehalte betragenzwischen 19,8 % bei der bis zu 1.509 kPa belaste-ten Probe und 24,1 % bei der bis zu 106 kPa belas -teten Probe.

7.3.5.3 Zusammenhang zwischenAuflastspannung und Schrumpfgrenze

Wie in Bild 7-37 dargestellt, ist auch für den BodenTL-1 eine geringe Abnahme des Wassergehaltesan der Schrumpfgrenze bei Aufbringen einer Auf-lastspannung erkennbar. Die Differenz zwischenminimalem und maximalem Wassergehalt an derSchrumpfgrenze ist jedoch im Vergleich zu denoben beschriebenen Böden sehr gering und liegtzwischen 19,1 % und 19,7 %. Der Wassergehalt ander Schrumpfgrenze bei der nur mit 106 kPa belas -teten Probe liegt vermutlich aufgrund von Messun-genauigkeiten geringfügig unterhalb der für die an-deren höher belasteten Proben bestimmten Was-sergehalte an der Schrumpfgrenze.

7.3.6 Zusammenfassende Betrachtungen

Es kann allgemein festgestellt werden, dass die Bo-denproben bei steigender Vorbelastung einen ge-ringeren Wassergehalt an der Schrumpfgrenze auf-weisen. Dies weist auf einen verkleinerten Poren-raum und in diesem Zusammenhang die veränder-te Porenstruktur hin. Die Untersuchung desSchrumpfverhaltens wurde sowohl an einer leichtplastischen als auch an einer mittel- und einer aus-geprägt plastischen Bodenprobe durchgeführt. Esist zu erkennen, dass bereits eine Belastung von106 kPa im Vergleich zum nicht vorbelasteten

51

Bild 7-36: Beziehung zwischen Steifemodul und Vertikalspan-nung (TL-1)

I II III IV

kPa105,91

kPa417,73

kPa833,48

kPa1.509,07

d0 = [cm] 7,00 7,00 7,00 7,00

h0 = [cm] 1,90 1,90 1,90 1,90

hAB = [cm] 1,73 1,66 1,63 1,58

m0 = [g] 142,30 145,20 146,00 143,90

md = [g] 107,63 107,58 108,25 106,21

w0 = [%] 32,21 34,97 34,87 35,48

e0 = [g/cm³] 0,95 0,95 0,94 0,96

ρs = [g/cm³] 2,72 2,72 2,72 2,72

eAB = [-] 0,78 0,71 0,66 0,63

mAB = [g] 133,51 131,16 130,54 127,25

wAB = [%] 24,09 21,90 20,59 19,80

IC = [-] 0,47 0,73 0,90 0,99

Tab. 7-8: Bodenkennwerte Ödometerversuch (TL-1)

Bild 7-37: Zusammenhang zwischen Auflastspannung undSchrumpfgrenze (TL-1)


Boden einen wesentlichen Sprung der Schrumpf-grenze zur Folge hat, wohingegen sich dieSchrumpfgrenze bei den weiteren Belastungsstu-fen von 418 kPa, 833 kPa und 1.509 kPa nur nochgering verändert. Die ausgeprägteste Veränderungim Schrumpfverhalten weist der Boden TM-1 auf.

Die deutliche Herabsetzung der Schrumpfgrenzedurch eine geringe Vorbelastung von 106 kPa imVergleich zur nicht vorbelasteten Bodenprobe lässtsich durch das erste Einregeln der Bodenpartikelerklären (Bild 4-3). Aus den oben aufgeführten Er-gebnissen ist zu schließen, dass die Schrumpf-grenze eines natürlichen Bodenmaterials nicht derbei einem Wassergehalt von w = 1,1 · wL aufbe-reiteten und heruntergetrockneten Bodenstrukturentspricht. Die Schrumpfgrenze ist vielmehr vonder Vorgeschichte des Bodenmaterials abhängigund verändert sich mit steigender Belastung. Eskonnte in einfachen ödometrischen Versuchen dieAuflast nicht so weit erhöht werden, dass für Bo-denproben, deren Schrumpfgrenze oberhalb derAusrollgrenze liegt, dieses Verhältnis umgekehrtwerden konnte. j edoch konnte gezeigt werden,dass durch diese Zusammenhänge eine Beurtei-lung des Abbauens, Förderns und Ladens nur ein-geschränkt möglich ist, da der Übergang zwischenhalbfester und fester Konsistenz nicht eindeutig er-mittelt werden kann und somit Platz für Rechts-streitigkeiten und Spekulationen bleibt.

7.4 Untersuchung zur Poren -größenverteilung

Im Zusammenhang mit den oben dargestellten Ver-suchsergebnissen wurde eine Untersuchung derPorenraumstruktur für sinnvoll erachtet. Der Ver-such wurde als weiterer Beleg für den Zusammen-hang zwischen der Auflastspannung bzw. allgemei-ner dem Porenraum und dem Wassergehalt an derSchrumpfgrenze herangezogen. Die Porengrößen-verteilung wurde mittels Quecksilberporosimetriebestimmt.

7.4.1 Versuchskonzept

Mit Hilfe der Quecksilberporosimetrie wurde die Po-rengrößenverteilung geschrumpfter Proben, welcheeine unterschiedliche Vorgeschichte aufweisen, er-mittelt. Wie bereits in Kapitel 4.2 dargestellt, wirdangenommen, dass die Porenstruktur Einfluss aufden Wassergehalt an der Schrumpfgrenze des Bo-

dens hat. Es konnte gezeigt werden, dass nebender Vorbelastung des Bodens die Korngrößenver-teilung (Variation des Größtkorns) einen Einflussauf die Schrumpfgrenze hat, siehe hierzu auchSRIDHARAN und RAO (1971) und SRIDHARANund PRAKASH (1998). Eine Einordnung des Bo-dens in die Bodenklassen 4 und 6 bzw. 5 und 6über die Schrumpfgrenze ist somit nicht als sinnvollanzunehmen. SRIDHARAN und RAO (1971) wider-legen mit ihrer Veröffentlichung die Abhängigkeitder Konsistenz des Bodens von der Schrumpfgren-ze. Somit ist die Schrumpfgrenze nicht den Atter-berg’schen Konsistenzgrenzen zuzuordnen, son-dern steht als unabhängiger Kennwert für Boden-proben. Eine Untersuchung der Porenstruktur un-terschiedlich aufbereiteter und anschließend ge-schrumpfter Bodenproben soll diese Hypothese be-stätigen.

Hierfür wurden Untersuchungen an den Böden TA-1 und TL-1 mit unterschiedlicher Vorbelastungs-geschichte durchgeführt (Tabelle 7-9).

Der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze sank fürdie in Tabelle 7-9 dargestellten Bodenproben nachKapitel 7.3 mit ansteigender Vorbelastung der Bo-denproben.

7.4.2 Verfahren der Quecksilberporosimetrie

Mittels der Quecksilberporosimetrie können poröseMedien hinsichtlich ihrer Porengrößenverteilunguntersucht werden. Hierbei wird ausgenutzt, dassQuecksilber als nicht benetzendes Medium nurunter Druck in ein poröses Medium eindringt. Dernotwendige Druck ist dabei vom Porendurchmes-ser, der Oberflächenspannung des eindringendenMediums und dem Benetzungswinkel abhängig.Theoretische Ansätze müssen bezüglich der Po-renform gemacht werde. Es wird dabei angenom-men, dass die Poren einer Probe einem Bündel ausKapillaren entsprechen, wobei jede Pore einer Ka-pillare mit konstantem Durchmesser entspricht. Esmuss beachtet werden, dass in Abhängigkeit vommaximalen Druck nicht alle Poren mit Quecksilbergefüllt werden können.

52

TA-1 TL-1

Belastungsstufe (0) 0 kPa 0 kPa

Belastungsstufe (I) 106 kPa 106 kPa

Belastungsstufe (IV) 1.509 kPa 1.509 kPa

Tab. 7-9: Bodenproben Quecksilberporosimetrie


Quecksilber weist einen Benetzungswinkel von140° auf und ist somit gegenüber Bodenmaterialein nicht benetzendes Medium. Um aus dem not-wendigen Druck zur Intrusion des Quecksilbers inden Porenraum auf den Porendurchmesser schlie-ßen zu können, müssen die in Bild 7-38 dargestell-ten Kräfte in Richtung und Größe bekannt sein.Vereinfachend wird in der Modellvorstellung von zylindrischen Poren ausgegangen, sodass die ein-dringende Kraft (FE) auf eine Kreisfläche wirkt.

FE = π · r2 · p (GI. 7-1)

Der eindringenden Kraft des Quecksilbers wirkteine Widerstandskraft (FR) entgegen. Diese wirktnach WEBB (2001) durch die Kohäsionskraft derQuecksilberatome untereinander sowie die Adhä -sion zwischen Quecksilber und der Porenwand.Somit wirkt die Widerstandskraft entlang des Um-fangs der Pore und kann über:

FR = 2 · π · r · cos (ϕ) · sHg (GI. 7-2)

beschrieben werden.

Werden die einwirkenden und widerstehendenKräfte gleichgesetzt und nach dem Radius aufge-löst, ergibt sich zwischen dem Quecksilberdruckund dem Porenradius folgender Zusammenhang:

7.4.3 Versuchsablauf

Die Quecksilberporosimetrie wird nach DIN 66133durchgeführt. Nach Wägung der ofentrockenen Bo-

denprobe wird diese in ein Probengefäß gegeben(Bild 7-39). Zur Messung des Makroporengefüges(d > 50 nm) muss die Probe nach Aufbringen einesVakuums mit Quecksilber überzogen werden undwird anschließend belüftet. Im Zuge der Belüftungtritt Quecksilber in die Probe ein. In Abhängigkeitder bei einem bestimmten Druck in die Probe ein-gedrungenen Quecksilbermenge lässt sich derDurchmesser des gefüllten Porenraumes bestim-men. Der beim atmosphärischen Luftdruck füllbarePorendurchmesser beträgt 7,5 µm. Die Messungdes Porenraumes kleiner 7,5 µm erfolgt in einemAutoklaven. Dabei wird Quecksilber durch Aufbrin-gen eines Druckes in die Probe eingepresst. Ausder bei bestimmten Druckniveaus in die Probe ein-gedrungenen Quecksilbermenge lässt sich die Po-rengrößenverteilung ermitteln.

Die Bodenproben dürfen eine Größe von 1,5 cm imDurchmesser nicht überschreiten (Bild 7-40), um

53

Bild 7-38: Eindringen von Quecksilber in Bodenpore, entnom-men aus BOSO (2005)

Bild 7-39 Versuchapparatur Quecksilberporosimetrie (AN-DORFER, 2007)

Bild 7-40 Probe ausgearbeitet zur Quecksilberporosimetrie(TA-1)


eine Messung möglich zu machen. Bei der Herstel-lung der Bodenprobe ist darauf zu achten, dass diePoren offen bleiben. Ein Verschmieren der Poren-eingänge etwa durch Schneiden der Probe behin-dert das Eindringen des Quecksilbers und führtsomit zu verfälschten Ergebnissen.

Die Proben TA-1 und TL-1 (siehe Kapitel 7.4.2) wur-den wie in Kapitel 7.3 beschrieben bei einem Was-sergehalt von 1,1 · wL aufbereitet und unter ödo-metrischen Verhältnissen belastet. Anschließendwurde die Schrumpfgrenze nach DIN 18122-2 be-stimmt. Das Größtkorn beträgt 0,4 mm. Die Auflast-spannungen der einzelnen Bodenproben betrugen106 kPa bzw. 1.509 kPa. Alle Untersuchungen wur-den nach Ofentrocknung der Bodenproben durch-geführt. Der minimal messbare Porenradius ent-spricht 950 µm bei einem Druck von 414 kPa. Porenmit kleineren Durchmessern können durch dieQuecksilberporosimetrie nicht erfasst werden.


In Bild 7-41 ist die Porengrößenverteilung der Bo-denproben TA-1 für die verschiedenen Belastungs-stufen (0, I, IV) dargestellt. Die Bodenproben wei-sen unterschiedliche charakteristische Verläufe desintrudierten Quecksilbervolumens auf. Dem Bild istzu entnehmen, dass die unbelastete Bodenprobe

(TA1-0) nahezu keinen Hauptporenanteil aufweist.Vielmehr ist eine ungleichmäßige Verteilung desPorendurchmessers über die gesamte Bandbreitemöglicher Durchmesser zu erkennen. Mit einer Auf-last von 106 kPa (TA1-I) werden die Makroporendes Bodens deutlich reduziert und es bildet sich einHauptporenanteil im Bereich eines Porendurch-messers von etwa 200 nm aus. Eine weitere Be -lastung der Bodenprobe führt zu einer Verschie-bung des Hauptporendurchmessers in Richtung Mikroporen (sieheTA-1-IV).


In Bild 7-42 ist die Porengrößenverteilung der Bo-denprobe TL-1 dargestellt. Im Vergleich zur obendargestellten Probe TA-1 ist bereits bei der nichtvorbelasteten Bodenprobe ein Hauptporenanteil imBereich von 4.000 nm deutlich erkennbar. Des Wei-teren ist hervorzuheben, dass auch hier durch dieVorbelastung des Bodens eine Verschiebung desHauptporenanteils in Richtung Mikroporen stattfin-det, wobei zwischen der Probe TL1-I und TL1-IVkeine großen Unterschiede hinsichtlich des Haupt-porenanteils feststellbar sind. Im Gegensatz zu derBodenprobe TA-1 weisen die Hauptporenanteilebeim Boden TL-1 mit Werten zwischen 1.500 nmund 4.000 nm wesentlich größere Durchmesser aufals beim Boden TA-1.

54

Bild 7-41: Porengrößenverteilung (TA-1)


7.5 Folgerungen

In den vorangegangenen Kapiteln konnte deutlichgezeigt werden, dass die Schrumpfgrenze kein ge-eignetes Kriterium zur Abgrenzung der Bodenklas-sen 4 und 6 bzw. 5 und 6 nach DIN 18300 darstellt.Dies lässt sich an verschiedenen Punkten festma-chen. Zum einen ist eine Bestimmung derSchrumpfgrenze nur bedingt aussagekräftig mög-lich. Dies liegt einerseits an unzureichenden Ver-suchsapparaturen und einem fehleranfälligen Ver-suchsablauf und andererseits konnte gezeigt wer-den, dass die nach DIN 18122-2 ermittelteSchrumpfgrenze nicht eindeutig in die bodenme-chanische Theorie der Plastizitätsgrenzen nach ATTERBERG eingegliedert werden kann. Hier er-geben sich aus verschiedener Hinsicht Widersprü-che. Zum einen ist ein Wassergehalt an derSchrumpfgrenze, der über dem Wassergehalt ander Ausrollgrenze liegt, nach bodenmechanischerTheorie nicht möglich, da dies bedeuten würde,dass der Übergang von einer halbfesten zur festenKonsistenz vor dem Übergang von einer steifen zueiner halbfesten Konsistenz auftritt. Zum anderenist durch die Abhängigkeit der Schrumpfgrenze vomGrößtkorn des Bodens bzw. von der Vorgeschichtedes Bodens eine Abgrenzung der Bodenklassenmittels Schrumpfgrenze nicht darstellbar.

Dies führt zu der Überlegung, anstelle derSchrumpfgrenze ein neues Kriterium zur Abgren-zung der Bodenklassen einzuführen. Hierbei gilt einAugenmerk anderen, bereits veränderten Normender VOB. Zu nennen ist die DIN 18311 „Nassbag-gerarbeiten“, die getrennte Bodenklassen für bindi-ge und nicht bindige Böden eingeführt hat. Die Ab-grenzung der Bodenklassen der bindigen Bödengeschieht hier nicht mehr über die Schrumpfgren-ze, sondern über die undränierte Scherfestigkeit cudes Bodens. Eine Einordnung der Bodenprobennach deren Eigenschaften des Lösens, Ladens undFörderns sollte sich an Proben mit natürlichemWassergehalt orientieren. Eine Klassifikation anaufbereiteten Bodenproben entspricht in keinemFall der im Feld vorgefundenen Situation und eignetsich aus diesem Grund nur bedingt zur Bewertungvon Bodenproben und als Grundlage für Angebots-kalkulation und Abrechnung. Durch die in DIN18311 genutzte Einteilung über die undränierteScherfestigkeit fließt ein Festigkeitskriterium in dieBewertung der im Feld anzutreffenden Bodenklas-se mit ein. Vor dem Hintergrund, dass die Festigkeiteines Bodens einen maßgeblichen Einfluss auf denLösevorgang ausübt, empfiehlt sich dieser Weg.

Die Untersuchungen zur Schrumpfgrenze zeigen,dass eine Beurteilung des Übergangs zwischen

55

Bild 7-42: Porengrößenverteilung (TL-1)


halbfester und fester Konsistenz bindiger Bödennicht über die Schrumpfgrenze definiert ist. Die Un-tersuchungen zeigen, dass die nach DIN 18122-2ermittelte Schrumpfgrenze vor allem für leichtplasti-sche Böden im Konsistenzbereich einer weichenbis steifen Probe zugeordnet werden kann. Eskonnte darüber hinaus gezeigt werden, dass dieSchrumpfgrenze eine Abhängigkeit von der Korn-verteilung eines bindigen Bodens aufweist. Eskonnte gezeigt werden, dass die im Vergleich zurfrüheren Durchführung des Schrumpfversuchs mit Quecksilber heute verwendete Methode nichtausschlaggebend für die anfänglich erläuterte Problemstellung der ungenauen Abgrenzung derhalbfesten und festen bindigen Böden ist. Vielmehrkonnte gezeigt werden, dass nicht die Versuchs-durchführung, sondern die Interpretation des Er-gebnisses als Übergang zwischen den Konsisten-zen als nicht zutreffend beurteilt werden kann. Ausdiesem Grund werden im Folgenden Untersuchun-gen zur Saugspannung und Festigkeit des Bodensin Abhängigkeit von der Konsistenz des Bodensdurchgeführt. Auf deren Basis kann beurteilt wer-den, ob ein Festigkeitskriterium zur Abgrenzung derBodenklassen 4 und 6 bzw. 5 und 6 definiert wer-den kann.

8 Saugspannungsunter -suchungen

8.1 Allgemeines

Versuchstechnisch ist eine Bestimmung der Saug-spannungs-Wassergehalts-Beziehung nur mittelsverschiedener Messmethoden möglich, da der ab-zudeckende Saugspannungsbereich so groß ist,dass er nicht durch eine einzige Messmethode er-fasst werden kann. Da davon ausgegangen wurde,dass bei Wassergehalten nahe der Schrumpfgren-ze bereits sehr hohe Saugspannungen im Bereich> 1.500 kPa vorliegen, wurde in den Untersuchun-gen auf eine Methode zurückgegriffen, die diesenBereich mit einer guten Genauigkeit erfasst. DieLuftfeuchtigkeit der Bodenprobe wird dabei miteinem Feuchtigkeitsmessgerät nach der Taupunkt-methode (chilled mirror dew-point hygrometer) bestimmt. Das verwendete Gerät WP 4 der Fa. Decagon zeichnet sich durch eine hohe Genauig-keit und schnelle Datengewinnung aus. Zur Mes-sung wird die Probe in eine luftdicht verschlosseneKammer gegeben. Die Kammer verfügt über einenkühlbaren Spiegel mit Kondensationsdetektor. In

der Kammer befindet sich zusätzlich ein Ventilatorzur Luftumwälzung. Dieser dient der Herstellungeines Gleichgewichts zwischen der Luftfeuchtigkeitder Bodenprobe und Innenraumluft der Kammer.Die relative Feuchte in der Kammer entspricht soder Feuchte der luftgefüllten Poren des Probekör-pers. Durch die Steuerung der Temperatur desSpiegels kann eine Kondensation am Spiegel er-zwungen werden, die über einen Lichtstrahl undeine Fotodetektorzelle registriert wird. In Bild 8-1 istein schematischer Aufbau der Messkammer desverwendeten Gerätes (WP 4) dargestellt.

Über die Ausgangstemperatur und die Taupunkt-temperatur kann auf die relative Luftfeuchtigkeit inder Probe geschlossen werden. Über die Luft-feuchtigkeit kann mittels der Gleichung (4.4) nachEDLEFSEN und ANDERSON (1943) die totaleSaugspannung der Probe ermittelt werden.

Der WP 4 hat einen Messbereich zwischen 1,5 MPa und 60 MPa. Bei Messungen im Bereich < 1,5 MPa nimmt die Genauigkeit des Gerätes starkab.

8.2 Versuchsdurchführung

Die Saugspannungsmessungen wurden für die inTabelle 8-1 zusammengefassten Bodenprobendurchgeführt. Die Untersuchungen wurden dabeigezielt auf leicht- und mittelplastische Böden aus-gerichtet, bei denen der Wassergehalt an derSchrumpfgrenze häufig oberhalb des Wassergehal-tes an der Ausrollgrenze liegt. Aus den Böden TM-2, TL-1, TL-3 und TL-4 wurden Bodenprobenmit unterschiedlichem Größtkorn (0,4 mm und 2,0 mm) an der 1,1fachen Fließgrenze aufbereitet,homogenisiert und in die für das Gerät vorgesehe-nen Messbehälter eingefüllt. Zusätzlich wurde die

56

Bild 8-1: Aufbau des chilled mirror dew-point hygrometer, ent-nommen aus LU und LIKOS (2004)


Saugspannungs-Wassergehalts-Beziehung fürProbekörper bestimmt, die bei einer bestimmtenDichte eingepresst wurden.

Die Bodenproben wurden im WP 4 gemessen. DieMasse, Temperatur und die Saugspannung wurdenüber einen Zeitraum von etwa 30 Minuten aufge-nommen. Für die Auswertung wurde anschließendder Mittelwert der Messwerte herangezogen. DieProben wurden nach einer Messung schrittweiseheruntergetrocknet, gewogen und erneut homogeni-siert, bevor eine Folgemessung durchgeführt wurde.Die Messung wurde abgebrochen, wenn die Saug-spannung der gemessenen Bodenproben über 60 MPa lag. Abschließend wurden die Bodenprobenofengetrocknet und der Wassergehalt bei verschie-denen Saugspannungen über die Trockenmasseund das Feuchtgewicht rückgerechnet. Auf Grundla-ge der Messungen konnte der Zusammenhang zwi-schen der totalen Saugspannung und dem Wasser-gehalt für die verschiedenen Böden ermittelt werden.

8.3 Ergebnisse TM-2

In Bild 8-3 sind für den Boden TM-2 die Saugspan-nungs-Wassergehalts-Beziehungen, die für zwei ander Fließgrenze aufbereitete Proben mit einem

Größtkorn von 2 mm bzw. 0,4 mm sowie für eineeingepresste Probe ermittelt wurden, dargestellt.Außerdem sind für die an der Fließgrenze wL = 37,8 % bei einem Größtkorn von 0,4 mm und 2 mmaufbereiteten Proben die nach DIN 18122-2 ermit-telten Wassergehalte an der Schrumpfgrenze an-gegeben.

Die Probe, welche eingepresst wurde, wurde beimWassergehalt an der Ausrollgrenze (wP = 21,2 %)aufbereitet. Dementsprechend konnte die Saug-spannung für diese Probe erst bei Wassergehalten< 20 % ermittelt werden. Ein Aufbereiten der Bo-denprobe bei höheren Wassergehalten führte zueiner in der Form instabilen Bodenprobe.

Wie aus Bild 8-3 zu erkennen ist, liegen die ge-messenen Saugspannungen im Wassergehaltsbe-reich > 20 % unterhalb von ca. 400 kPa. Dies liegtaußerhalb des Messbereiches des verwendetenMessgerätes, weshalb diese Werte keine Aussage-fähigkeit besitzen. Erst ab Messwerten > 1.500 kPaist von einer ausreichenden Messgenauigkeit aus-zugehen. In diesem Bereich weisen die Proben al-lerdings bereits Wassergehalte < 12 % auf. Damitsind die durchgeführten Messungen nicht geeignet,um einen Zusammenhang zwischen der Saugspan-nungs-Wassergehalts-Beziehung und dem Was-sergehalt an der Schrumpfgrenze herzustellen. Ausden Messwerten ist aber zu erkennen, dass die ein-gepresste Probe im Vergleich zu den an der Fließ-grenze aufbereiteten Proben im Saugspannungs-bereich > 1.500 kPa höhere Wassergehalte auf-weist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durchdas Einpressen der Probe im Vergleich zu einerAufbereitung an der Fließgrenze tendenziell weni-ger Makroporen entstehen und dadurch das in derProbe befindliche Wasser kapillar stärker an denFeststoff gebunden ist.

8.4 Ergebnisse TL-1

Ebenso wie für den Boden TM-2 wurde die Saug-spannungs-Wassergehalts-Beziehung des BodensTL-1 für drei unterschiedlich aufbereitete Proben

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TM-2 TL-1 TL-3 TL-4

Max. Korndurchmesser 0,4 mm 0,4 mm 0,4 mm 0,4 mm

Max. Korndurchmesser 2,0 mm 2,0 mm 2,0 mm 2,0 mm

Dichte der eingepress-ten Probe

1,69 g/cm3 1,68 g/cm3 1,73 g/cm3 1,69 g/cm3

Tab. 8-1: Zusammenstellung der untersuchten Bodenproben zur Saugspannungsmessung

Bild 8-2: Versuchapparatur WP 4


ermittelt. Bild 8-4 gibt den Verlauf für die an derFließgrenze mit einem Größtkorn von 0,4 mm und2 mm aufbereiteten Proben sowie für den bei einerDichte von 1,69 g/cm³ eingepressten Probekörperwieder. Des Weiteren sind in Bild 8-4 die Schrumpf-grenzen für die an der Fließgrenze auf bereitetenProben angegeben. Der Wassergehalt an der

Schrumpfgrenze für die Probe mit Größtkorn 2 mmbeträgt 19,5 %. Für die Probe mit einem Größtkornvon 0,4 mm wurde ein Wassergehalt an derSchrumpfgrenze von 19,9 % bestimmt. Ebenso wiebeim Boden TM-2 liegen die Mess-werte im Was-sergehaltsbereich > 12 % unter1.500 kPa unddamit außerhalb des Messbereiches des Gerätes.

58

Bild 8-3: Saugspannungs-Wassergehalts-Beziehung (TM-2)

Bild 8-4: Saugspannungs-Wassergehalts-Beziehung (TL-1)


Über den Zusammenhang zwischen dem Wasser-gehalt an der Schrumpfgrenze und der Saugspan-nung können deshalb auch aus diesen Wertenkeine Informationen gewonnen werden. Für denWassergehaltsbereich < 10 % ist zu erkennen,dass die eingepresste Probe im Vergleich zu denan der Fließgrenze aufbereiteten Proben bei glei-chen Saugspannungen wiederum höhere Wasser-gehalte aufweist. Dies ist wie bereits für die ProbeTM-2 beschrieben darauf zurückzuführen, dass aus dem Einpressen der Probe geringere Makroporen resultieren als bei einer Aufbereitungan der Fließgrenze und einer anschließendenTrocknung.

8.5 Ergebnisse TL-3

Der Boden TL-3 zeigt für die drei untersuchten Pro-ben einen sehr ähnlichen Verlauf der Saugspan-nungs-Wassergehalts-Beziehungen (Bild 8-5). ImVergleich zu den Böden TM-2 und TL-1 wird derMessbereich des WP 4 bereits bei Wassergehalten> 6 % unterschritten. Die ermittelten Saugspan-nungs-Wassergehalts-Beziehungen lassen deshalbkeine Rückschlüsse auf den Zusammenhang zwi-schen dem Wassergehalt an der Schrumpfgrenzeund der Saugspannungs-Wassergehalts-Bezie-hung zu.

8.6 Ergebnisse TL-4

Die für den Boden TL-4 ermittelten Saugspan-nungs-Wassergehalts-Beziehungen (Bild 8-6) stel-len sich ähnlich dar wie für den Boden TL-3. DerMessbereich des WP 4 wird wiederum bereits beiWassergehalten > 6 % unterschritten. Aussagen zueinem möglichen Zusammenhang zwischen demWassergehalt an der Schrumpfgrenze und derSaugspannung können deshalb auch für denBoden TL-4 nicht getroffen werden.

8.7 Bewertung undZusammenfassung

Die durchgeführten Untersuchungen haben ge-zeigt, dass mit der verwendeten Messmethode dieSaugspannungs-Wassergehalts-Beziehung im Be-reich der Schrumpfgrenze nicht ermittelt werdenkann, da die Saugspannungen beim Wassergehaltan der Schrumpfgrenze unterhalb des Messberei-ches liegen. Es wären zusätzlich andere Messme-thoden, die eine Ermittlung des Saugspannungsbe-reiches zwischen 0 und 1.500 kPa ermöglichen, zuergreifen. Dazu kämen beispielsweise Druckplat-tenextraktoren, die auf dem Prinzip der Achsen-Translations-Technik beruhen, infrage. Da Untersu-chungen mit Hilfe des Druckplattenextraktors im

59



Vergleich zur durchgeführten Messung mit demFeuchtigkeitsmessgerät nach der Taupunktmetho-de jedoch deutlich zeitaufwändiger sind (Dauer zurErmittlung einer Saugspannungs-Wassergehalts-Beziehung ca. 6 Wochen), konnten diese Untersu-chungen im Rahmen der vorliegenden Forschungnicht durchgeführt werden. Aufgrund der sehr zeit-intensiven Versuchsdurchführung ist eine Beurtei-lung des Übergangs der Bodenklassen 4 und 6bzw. 5 und 6 nach DIN 18300 auf Basis der Saug-spannungs-Wassergehalts-Beziehung jedoch ohnehin nicht anzustreben und ist deshalb nichtweiter zu verfolgen.

9 Festigkeitsuntersuchungen anBöden

9.1 Konzept

Zur Beschreibung und Klassifizierung von Bödenkönnen Festigkeiten als Richtwerte herangezogenwerden. Korrelationen zwischen Festigkeitseigen-schaften von Böden und deren Indexwerte werdenvon WOOD (1999) dargestellt. Dabei wird ein Zu-sammenhang zwischen Wassergehalt und Plastizi-tät des Bodens beschrieben. So gibt WOOD (1999)eine einheitliche undrainierte Scherfestigkeit cu bin-diger Böden von cL = 2 kPa an der Fließgrenze wL

an (Bild 9-1). Die undrainierte Scherfestigkeit cu ander Ausrollgrenze wp wird in WOOD (1999) mit cp = 200 kPa abgeschätzt. Eine Festigkeit für bindi-ge Böden an der Schrumpfgrenze ist nicht ange-geben und konnte in der Literatur auch nicht ge-funden werden. Es liegt jedoch nahe, ein solchesKriterium auch im Bereich der Schrumpfgrenze zudefinieren. j edoch scheint dies aufgrund der Teil-sättigung des Bodens zu einer größeren Variabili-tät der Festigkeiten auch in Bezug auf die Plastizi-tät des bindigen Bodens zu führen. j edoch ist dieBetrachtung der Festigkeit des Bodens in Bezug

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Bild 9-1: Zusammenhang cu und Konsistenz des Bodens, ent-nommen aus WOOD (1999)


auf die Einteilung von Böden in die Bodenklassenals sinnvolles Kriterium zu verstehen. Um einneues Grenzkriterium für die Unterscheidung zwi-schen den Bodenklassen 4 und 6 bzw. 5 und 6 zudefinieren, wurden aus diesem Grund verschiede-ne Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Hier-bei sollte zum einen die Anwendbarkeit der einzel-nen Versuche überprüft werden, zum anderen sinddie Einflussfaktoren auf die Festigkeit des Bodensdarzustellen und qualitativ zu beurteilen. Aus die-sem Grund wurden Untersuchungen sowohl anungestörten als auch an aufbereiteten Probendurchgeführt. Die Aufbereitung des Bodenmate -rials führt zu einer vollständigen Auflösung der Bodenstruktur und somit der Vorgeschichte desBodenmaterials. Des Weiteren werden Bodenbin-dungen und Konkretionen aufgebrochen.

Die Festigkeit der Böden im halbfesten und festenZustand wurde mit folgenden Versuchen unter-sucht:

1. einaxialer Druckversuch an ungestörten Boden-proben,

2. einaxialer Druckversuch an aufbereiteten Bo-denproben,

3. Konuseindringversuch an aufbereiteten Boden-proben,

4. Eindringversuch mit Proctornadel an aufbereite-ten Bodenproben.

Da es sich bei dem Konuseindringversuch und demEindringversuch mit der Proctornadel teilweise umneu zu entwickelnde Versuche handelt, wurdendiese ausschließlich an aufbereiteten Bodenprobendurchgeführt. Im Rahmen dieser Forschung solleine erste Bewertung dieser neuen Versuche statt-finden, ohne Einflüsse lokaler, struktureller Beson-derheiten, wie sie bei ungestörten Proben bei-spielsweise durch Konkretionen auftreten, berück-sichtigen zu müssen.

Die Abhängigkeit der Festigkeitseigenschaften vomWassergehalt wurde im Rahmen der experimentel-len Untersuchungen für Böden mit unterschied -licher Plastizität ermittelt.

9.2 Probengewinnung

Ungestörte Bodenproben

In Bild 9-2 ist dargestellt, wie die Probengewinnungzur Durchführung von einaxialen Druckversuchen

sowohl an den ungestörten als auch an den einge-pressten Probekörpern durchgeführt wurde. Dieaus einer Bohrung gewonnenen ungestörten Bo-denproben (Durchmesser 10 cm) wurden geviertelt.Aus jedem Viertel wurde anschließend ein zylindri-scher Probekörper mit einem Durchmesser von 36 mm und einer Höhe zwischen 72 mm und 90 mm gewonnen. Es musste beim Herausarbeitender Probekörper sehr genau gearbeitet werden.Aufgrund von Störflächen und Einschlüssen in denProbekörpern war es nicht in allen Fällen möglich,Probekörper herzustellen. Eine Rissbildung undsomit Sollbruchflächen traten vor allem bei Bödenauf, die eine halbfeste bis feste Konsistenz aufwie-sen. Ein aussagekräftiger einaxialer Druckversuchnach DIN 18136 konnte an diesen Proben nichtmehr durchgeführt werden.

Die herausgearbeiteten Probekörper wurden an-schließend auf einen vorher festgelegten Wasser-gehalt heruntergetrocknet. Nach Erreichen des an-gestrebten Gewichtes wurden die Proben für min-desten 72 h zum Homogenisieren des Wasserge-halts in den Proben in geschlossenen Eimern ruhengelassen. Somit war gewährleistet, dass die nuroberflächig angetrockneten Bodenproben bei Ver-suchsdurchführung einen über den Probekörpergleichmäßigen Wassergehalt aufwiesen. Der ein-axiale Druckversuch wurde im Folgenden mit einerweggesteuerten Presse bei einer Vortriebge-schwindigkeit von 0,68 mm/min durchgeführt. Diesentsprach einer Vortriebsgeschwindigkeit nach DIN 18136 von 0,2 %/min der Probenhöhe.

Aufbereitete Bodenproben

Für die Untersuchungen wurden die Bodenartenherangezogen, für die auch ungestörte Proben vor-lagen. Dies waren die Böden TL-1, TL-3, TL-4, TM-2 und TM-4. Die ausgeprägt plastischen Böden

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Bild 9-2: Zuschneiden der Bodenproben (Maße in mm)


wurden in die Untersuchungen nicht miteinbezo-gen, da für diese Böden keine ungestörten Probenvorlagen. Die Herstellung der aufbereiteten Boden-proben war für den einaxialen Druckversuch und fürden später dargestellten Konus- bzw. Proctornadel-versuch weitestgehend identisch. Das Probenma-terial der verschiedenen zu untersuchenden Bo-denproben wurde durch ein Sieb mit einer Öff-nungsweite von 2 mm gesiebt. Anschließend wurdedas Material mit Hilfe eines Cutters durchmischt(Bild 9-3). Auf diese Weise konnte ein homogenesBodenmaterial erreicht werden. In einem nächstenSchritt wurde das Bodenmaterial bei einem Was-sergehalt auf der nassen Seite des Proctoropti-mums aufbereitet und homogenisiert.

Für die Bestimmung der beim Einpressen zu erzie-lenden Dichte sowie des notwendigen Wasserge-halts wurden Korrelationen der Proctordichte mitden Konsistenzgrenzen nach RING et al. (1962)herangezogen.

In Bild 9-4 sind für die Böden TL-1, TL-3, TL-4, TM-2 und TM-4 der Wassergehalt und die Trockendich-te am Proctoroptimum, welche mit Hilfe der Glei-chungen (9-1) und (9-2) ermittelt wurden, darge-stellt. Die Sättigungslinie wurde für ρs = 2,70 g/cm³ermittelt.

Bei der Probeherstellung wurde ein möglichst gro-ßer Sättigungsgrad der Proben nach Verdichtungangestrebt. Um diesen zu erreichen, wurde derWassergehalt der Proben so eingestellt, dass beiErreichen eines Verdichtungsgrades von 95 %

theoretisch eine Vollsättigung der Probe (Sätti-gungsgrad von 1,0) vorliegt. Anschließend wurdedas Bodenmaterial auf die in Tabelle 9-1 angege-bene Trockendichte ρd bei einem Verdichtungsgradvon 95 % eingepresst.

j e nach späterem Verwendungszweck der Boden-probe wurden Proben unterschiedlicher Durchmes-ser und Höhen hergestellt (∅ = 11,75 cm, h = 8 cmfür Proctornadel- und Konusversuch; ∅ = 10,00 cmund h = 10 cm für einaxialen Druckversuch). DerProbekörper wurde in einer Lage eingepresst. An-fängliche Zweifel, ob somit eine gleichmäßige Dich-te über die Probenhöhe hergestellt werden kann,konnten durch frühere Forschungsarbeiten ausge-räumt werden. In Abhängigkeit vom Volumen desZylinders, in den der Boden eingepresst wurde, undder angestrebten Trockendichte wurde das Boden-gewicht bestimmt. Um die Hebungen der Proben in-folge des Schwellens bei der Entlastung zu mini-mieren, wurden die Proben mindestens 30 minunter Belastung stehen gelassen. j e nach Plastizi-tät des Materials verlängerte sich die Standzeit derProbe auf bis zu 2 h. Anschließend wurden die Pro-ben entlastet und aus dem Zylinder ausgepresst.Zum Homogenisieren des Wassergehaltes wurdendie Proben anschließend in einem luftdicht ver-

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Bild 9-3: Aufbereitung des Bodenmaterials

Bild 9-4: Proctordichte abgeschätzt mit Hilfe der Gleichungennach RING et al. (1962)

Tab. 9-1: Angestrebte Werte der Trockendichte und des Was-sergehaltes der untersuchten Böden

ρd [g/cm³] w [%] Verdichtungsgrad [%]

TL-1 1,77 19,5 95

TL-3 1,73 20,0 95

TL-4 1,79 18,9 95

TM-2 1,69 22,0 97

TM-4 1,49 29,8 95


schlossenen Behälter mindestens drei Tage stehengelassen.

Die Proctornadel- und Konusversuche wurden beiverschiedenen Wassergehalten durchgeführt.Somit mussten die eingepressten Proben (Bild 9-5a) zunächst getrocknet werden. Eine damit ein-hergehende Volumenreduzierung (Bild 9-5b) istaufgrund des Schrumpfens nicht vermeidbar. DieProben wurden nach Erreichen des gewünschtenWassergehaltes (Bestimmung über die Masse derProbe) abermals 7 Tage zum Homogenisieren ineinem luftdicht verschlossenen Behälter aufbe-wahrt, bevor der eigentliche Proctornadel-/Konus-versuch durchgeführt wurde.

Zur Versuchsdurchführung wurde aus dem getrock-neten Boden mit Hilfe eines Ausstechringes einPrüfkörper (∅ = 10 cm, h = 8 cm) herausgearbeitet(Bild 9-5c). Der Proctornadel-/Konusversuch wurdeanschließend an dem im Ausstechring befindlichenProbekörper (Bild 9-5d) durchgeführt.

9.3 Einaxialer Druckversuch

Der einaxiale Druckversuch wurde nach DIN 18136durchgeführt. Es wurden die darin empfohlenen Ab-messungen und Abdrückgeschwindigkeiten ge-wählt.

Der einaxiale Druckversuch dient der Festigkeits-untersuchung von Böden. Hierbei wird die Probeeinaxial ohne seitliche Stützung und bei unbehin-derter Seitendehnung (σ1 ≠ 0; σ2 = σ3 = 0) belastet.Die einaxiale Druckfestigkeit wird mit qu angege-ben. qu ist als maximale einaxiale Druckspannungσ1 definiert, wenn diese auftritt, bevor eine Stau-chung des Probekörpers von ε = 20 % erreicht wird(qu = max σ). Wird die maximale Spannung beieiner einaxialen Stauchung ε = 20 % erreicht, ist die

Druckspannung als vertikale Druckspannung σ1 beider Stauchung von ε = 20 % definiert (qu = σ0,2).Die Abmessungen des Probekörpers beeinflussendie einaxiale Druckfestigkeit eines Materials. NachDIN 18136 ist ein Seitenverhältnis von h/d = 2-2,5vorgeschrieben. Bei einem Durchmesser der pris-matischen Probekörper von 36 mm ist somit eineHöhe des Probekörpers zwischen 72 mm und 90 mm notwendig.

Die einaxiale Druckfestigkeit eines Bodenkörperswird wesentlich vom Wassergehalt, der Struktur,dem Korngefüge, der Klüftung und der Mineralzu-sammensetzung beeinflusst. Diese resultieren beiungestörten Böden unter anderem aus der Geneseund der geologischen Vorgeschichte des Bodens.Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde fürBöden unterschiedlicher Plastizität der Einfluss desWassergehaltes auf die einaxiale Druckfestigkeitbestimmt. Dazu wurden einaxiale Druckversuchean ungestörten und aufbereiteten Bodenprobendurchgeführt. In beiden Fällen wurde die Festigkeitin Abhängigkeit vom Wassergehalt bestimmt. Somitkonnten sowohl die Festigkeitsentwicklung bei Er-reichen der Schrumpfgrenze als auch die Festig-keitsunterschiede aufgrund veränderter bzw. aufge-löster Bodenstrukturen studiert werden. Im Folgen-den werden die an ungestörten und gestörten Pro-ben durchgeführten Versuche erläutert.

9.3.1 Einaxialer Druckversuch an ungestörtenBodenproben

9.3.1.1 Ergebnisse TM-2

Zur Untersuchung der Festigkeit des Bodens TM-2standen insgesamt drei ungestörte Bodenproben (I bis III) zur Verfügung. Da diese bereits im natür -lichen Zustand eine feste Konsistenz aufwiesen,konnte nur ein kleiner Konsistenzbereich unter-sucht werden. Die einaxiale Druckfestigkeit der

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Bild 9-5: Herstellung der Prüfkörper für Proctornadel-/Konusversuch


Proben beträgt für den Probekörper I qu = 874 kPa,für II qu = 777 kPa und für III qu = 2.200 kPa (vgl.Bild 9-6).

Alle Bodenproben wurden bei einem Wassergehaltunterhalb der Schrumpfgrenze abgedrückt. In Bild9-6 ist des Weiteren zu erkennen, dass die einaxia-le Druckfestigkeit von Probe I zu Probe II abnimmt,bevor sie mit weiter sinkendem Wassergehalt beiProbe III stark zunimmt. Dies lässt darauf schlie-ßen, dass die Probekörper lokale Verfestigungenoder Gefügeveränderungen aufweisen. Dies legtauch der starke Festigkeitsanstieg von Probe II aufProbe III nahe. Die Bruchstauchung der Probe III,welche den geringsten Wassergehalt aufweist, liegtmit etwa 1,3 % deutlich unterhalb der Bruchstau-chungen der Proben I und II (2,5 %). Dies belegt,dass der Boden mit zunehmendem Wassergehaltein duktileres Verhalten aufweist.


In Bild 9-7 sind die einaxialen Druckfestigkeiten derungestörten Bodenproben TM-4 in Abhängigkeitvom Wassergehalt dargestellt. Dabei zeigt sich,dass mit abnehmendem Wassergehalt die Festig-keit des Bodens zunimmt. Das Abfallen der ein-axialen Druckfestigkeit für den Boden mit dem ge-ringsten Wassergehalt ist auf eine horizon-tale Bruchfuge zurückzuführen (siehe Bild 9-8

TM-4 w = 16,2 %), die während der Herstellung desProbekörpers entstanden ist. Die Festigkeit liegtzwischen qu = 254 kPa (Probe I) bei einem Was-sergehalt von 31 % und maximal qu = 1.275 kPa(Probe III) bei einem Wassergehalt von w = 21 %.Für den Wassergehalt an der Schrumpfgrenze, derbei der Probe TM-4 bei wP = 17,3 % liegt, ist damitvon einer undränierten Scherfestigkeit von cu = qu/2 > 600 kPa auszugehen. Im Vergleich dazu liegt dieundränierte Scherfestigkeit für an der Fließgrenzeaufbereitete Böden nach WOOD (1999) bei cu ≈200 kPa. Dies zeigt den deutlichen Einfluss der Ge-nese und geologischen Vorgeschichte des Bodens.Dem Bild 9-7 ist weiterhin zu entnehmen, dass dieBruchstauchung (ε) mit abnehmendem Wasserge-halt linear abnimmt (unter Vernachlässigung dergestörten Bodenprobe TM-4 w = 16,2 %).

Fotografische Aufnahmen der Prüfkörper nach derVersuchsdurchführung sind in Bild 9-8 dargestellt.An der Form der Probe TM-4 w = 31,0 %, die denhöchsten Wassergehalt aufweist, ist ein duktilesVersagen erkennbar.


Die Ergebnisse des einaxialen Druckversuchs fürden Boden TL-1 sind in Bild 9-9 dargestellt. Dienach DIN ermittelte Schrumpfgrenze der Probeliegt bei 19,85 % und somit 3,5 % oberhalb der Aus-

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Bild 9-6: Einaxiale Druckfestigkeit (qu) und Bruchstauchung (ε) in Abhängigkeit vom Wassergehalt (w) (TM-2)


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Bild 9-7: Einaxiale Druckfestigkeit (qu) und Bruchstauchung (ε) in Abhängigkeit vom Wassergehalt (w) (TM-4)

Bild 9-8: Einaxiale Druckversuche (TM-4)

Bild 9-9: Einaxiale Druckfestigkeit (qu) und Bruchstauchung (ε) in Abhängigkeit vom Wassergehalt (w) (TL-1)


rollgrenze der Bodenprobe. Die Festigkeiten derProben konnten, wie in Bild 9-9 dargestellt, abeinem Wassergehalt von w = 17,5 % untersuchtwerden. Die natürlichen Bodenproben wiesen keinehöheren Wassergehalte auf. Die einaxiale Druck -festigkeit schwankt im Bereich zwischen 280 kPa(Probe I) und 400 kPa (Probe III). Die Bodenprobenwiesen zum Teil schon beim Herausarbeiten derProbekörper größere Risse auf. Vor allem bei dentrockeneren Bodenproben war das Herausarbeitender Probekörper nicht ohne Rissbildung möglich.Die Festigkeit der Probe IV liegt deshalb auch mitca. 310 kPa unter den Festigkeitswerten der Pro-ben II und III, obwohl die Probe IV einen geringerenWassergehalt aufwies.


Bei dem Herausarbeiten der Bodenproben des Bo-dens TL-3 aus den ungestörten Sonderproben kames bei allen Probekörpern zu unkontrollierten Ris-sen in den Proben. Nur ein Versuch konnte nachDIN 18136 durchgeführt werden. Eine Entwicklungder Festigkeiten aufgrund der Wassergehaltsände-rung ist somit in diesem Fall nicht möglich. DerBoden entstammt dem Erdinger Moos.


In Bild 9-10 sind die einaxiale Druckfestigkeit unddie Bruchstauchung der Bodenproben TL-4 gegen-über dem Wassergehalt aufgetragen. Die Festigkeit

des Bodens nimmt erst nach Erreichen der Ausroll-grenze bei wp = 15,7 % deutlich von qu = 143,0 kPa(Probe III) auf qu = 273,5 kPa (Probe IV) zu. DieBruchstauchungen nehmen mit steigendem Was-sergehalt zu. Dies deutet auf ein zunehmend duk -tileres Bruchverhalten bei höheren Wassergehaltenhin.

9.3.1.6 Zusammenfassung und Bewertung

Die Versuchsergebnisse zeigen für die untersuch-ten Böden bei Wassergehalten nahe der Schrumpf-grenze deutliche Unterschiede in der einaxialenDruckfestigkeit. Die mittelplastischen Böden TM-2und TM-4 wiesen dabei im Vergleich zu den leicht-plastischen Böden wesentlich größere Werte auf.Auch wenn die Untersuchungen an den einzelnenBöden nur für relativ geringe Wassergehaltsspan-nen durchgeführt werden konnten, zeigt sich, dassdie einaxiale Druckfestigkeit mit abnehmendemWassergehalt tendenziell zunimmt und die Bruch-stauchungen abnehmen. Die Proben verhalten sichdamit zunehmend spröder. Allerdings neigen sehrtrockene Proben zu einer Rissbildung, wodurch dieeinaxiale Druckfestigkeit stark herabgesetzt seinkann.

Des Weiteren haben die Untersuchungen gezeigt,dass die Herstellung der Prüfkörper im Wasserge-haltsbereich nahe der Schrumpfgrenze mit großenSchwierigkeiten verbunden ist und die Proben imZuge des Herausarbeitens häufig Risse erlitten hat-ten bzw. gebrochen sind. Die Verwendung der ein-

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axialen Druckfestigkeit zur Einordnung bindigerBöden in die Bodenklassen 4 und 6 bzw. 5 und 6 istdeshalb nicht zu empfehlen. Vor diesem Hinter-grund wurden im Rahmen des Forschungsvorha-bens weitere Untersuchungen zur Ermittlung derFestigkeit mittels einer einfachen Versuchsmetho-de durchgeführt (siehe Kapitel 9.4).

9.3.2 Einaxialer Druckversuch an aufbereitetenBodenproben

Die im vorhergehenden Kapitel dargestellten Ver-suchsergebnisse zur einaxialen Druckfestigkeitwurden an aufbereitetem Probenmaterial ebenfallsdurchgeführt. Das Größtkorn des aufbereiteten Ma-terials beträgt 2 mm. Die Proben wurden, wie in Ka-pitel 9.2 beschrieben, aufbereitet und die einzelnen

Probekörper hergestellt. Einaxiale Druckversuchewurden an den mittelplastischen und leichtplasti-schen Böden durchgeführt, für die auch ungestörteBodenproben vorlagen, an denen die einaxialeDruckfestigkeit bestimmt wurde.


Ausgewählte Probekörper des Bodens TM-2 sind inBild 9-11 dargestellt. Es ist auf den Bildern zu er-kennen, dass die eingepressten Bodenproben nocheine Vielzahl an Lufteinschlüssen aufweisen.

Die einaxiale Druckfestigkeit des aufbereiteten Bo-denmaterials konnte im Bereich zwischen IC = 1,1bis IC = 1,8 untersucht werden (siehe Bild 9-12).Die Bruchstauchung des Bodens nimmt mit abneh-

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Bild 9-12: Einaxiale Druckfestigkeit (TM-2)

Bild 9-11: Bodenproben nach einaxialem Druckversuch bei verschiedenen Wassergehalten (TM-2)


mendem Wassergehalt (steigender Konsistenz-zahl) ab, die Festigkeit zu. Die maximal erreichteFestigkeit bei einer Konsistenzzahl von IC = 1,8 be-trägt qu = 310 kPa.

In Bild 9-13 ist die einaxiale Druckfestigkeit der auf-bereiteten und der ungestörten Bodenproben dar-gestellt. Es ist ersichtlich, dass die Festigkeit fürden aufbereiteten Boden wesentlich geringer ist als die des ungestörten Bodenprobenmaterials. Die aufbereitete Bodenprobe weist bei einer Kon -sistenz von IC = 1,4 eine Festigkeit von qu = 250 kPa auf. Die ungestörte Bodenprobe hingegenweist bei gleicher Konsistenzzahl eine Festigkeitvon 2.250 kPa auf.


In Bild 9-14 sind die untersuchten Bodenprobennach der Versuchsdurchführung dargestellt. DerZustand der Proben nach dem Bruch zeigte, dassdie Proben mit steigendem Wassergehalt ein zu-nehmend duktileres Bruchverhalten aufweisen.

Dies geht auch aus den Ergebnissen der einaxialenDruckversuche, die in Bild 9-15 dargestellt sind,hervor. So nimmt die einaxiale Druckfestigkeit deraufbereiteten Bodenproben mit abnehmendemWassergehalt stetig zu, während die Bruchstau-chung abnimmt. Der Verlauf der einaxialen Druck-festigkeit zeigt, dass die Festigkeit bis zu einemWassergehalt von w = 12 % mit abnehmendemWassergehalt nur geringfügig zunimmt, bei Was-

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Bild 9-13: Einaxiale Druckfestigkeit an aufbereiteten und ungestörten Proben (TM-2)

Bild 9-14: Bodenproben nach einaxialem Druckversuch (TL-1)


sergehalten w < 12 % jedoch stark anwächst.Die Ausrollgrenze des Bodens TL-1 liegt bei wP =16,3 %, die Schrumpfgrenze bei ws = 19,8 %.

In Bild 9-16 ist ergänzend der Zusammenhang zwi-schen der einaxialen Druckfestigkeit und der Kon sistenz der aufbereiteten sowie der ungestörtenProben des Bodens TL-1 dargestellt. Die einaxialeDruckfestigkeit an den ungestörten Bodenprobenkonnte in einem Konsistenzbereich von IC = 1,0 bisIC = 1,4 dargestellt werden. Die Festigkeit der un-gestörten Bodenproben liegt, wie bereits im Ver-suchskonzept vermutet, oberhalb der einaxialen

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Druckfestigkeiten der aufbereiteten Bodenproben.Durch den Verlust der diagenetischen Bindungensowie die Homogenisierung des Korngefüges unddas Entfallen von Verfestigungen weisen aufberei-tete Bodenproben bei gleichen Wassergehalten ge-ringere einaxiale Druckfestigkeit auf. In Bild 9-16 istdes Weiteren die rechnerische Konsistenz für dennach DIN 18122-2 erhaltenen Wassergehalt an derSchrumpfgrenze eingezeichnet (IC = 0,68). j edochkonnten keine Proben dieses Wassergehalts her-gestellt werden, da die hergestellten Proben keineausreichende Konsistenz hatten, um formstabil zubleiben. Der Übergang vom halbfesten zum festen

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Bild 9-16: Einaxiale Druckfestigkeit von TL-1 (aufbereitet) und TL-1 (ungestört)


Boden wird nach KRABBE (1958) bei IC = 1,25 fest-gelegt. In den Festigkeitsverläufen in Bild 9-16 istkeine signifikante Veränderung des Verlaufes imBereich IC = 1,25 erkennbar. Die Bodenproben wei-sen erst ab einer Konsistenzzahl von IC = 1,4 einestärkere Zunahme der Festigkeit bei steigenderKonsistenz auf.

In Bild 9-17 sind die Spannungs-Stauchungs-Dia-gramme der untersuchten Proben des TL-1 darge-stellt. Ein Zusammenhang zwischen Wassergehaltund Bruchstauchung bzw. Wassergehalt und ein-axialer Druckfestigkeit ist deutlich zu erkennen. Mitabnehmendem Wassergehalt verhalten sich die

Proben zunehmend spröder und die Bruchstau-chungen nehmen ab. Gleichzeitig nimmt die Festig-keit der Bodenprobe mit abnehmendem Wasserge-halt zu.


In Bild 9-18 sind Proben verschiedener Wasserge-halte des Bodens TL-3 dargestellt. Der Konsistenz-bereich der untersuchten Proben lag zwischen IC =0,8 und IC = 1,9. Die Proben des Bodens TL-3 bra-chen vergleichsweise spröde. Dies ist auf denhohen Sandanteil der Probe zurückzuführen (vgl.Bild 6-5).

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Bild 9-17: Spannungs-Stauchungs-Diagramm (TL-1)

Bild 9-18: Bodenproben nach einaxialem Druckversuch bei verschiedenen Wassergehalten (TL-3)


Die Bodenproben weisen eine maximale Festigkeitvon qu = 400 kPa auf (Bild 9-19). Auch bei diesemBoden liegt der versuchstechnisch bestimmte Was-sergehalt an der Schrumpfgrenze oberhalb derAusrollgrenze des Bodens. Für eine Probe miteinem Wassergehalt an der Schrumpfgrenze wurdeeine einaxiale Druckfestigkeit von etwa 200 kPa er-mittelt (Bild 9-19).

Ein Vergleich der Ergebnisse der an den aufberei-teten Proben durchgeführten einaxialen Druckfe-stigkeiten mit den an ungestörten Proben durchge-führten Versuchen ist nicht möglich, da an den un-gestörten Proben aufgrund der aus der Probenher-stellung resultierenden Rissbildung keine aussage-kräftigen Ergebnisse gewonnen werden konnten.


In Bild 9-20 sind die Probekörper des Bodens TL-4nach Durchführung des einaxialen Druckversuchsfür verschiedene Wassergehalte dargestellt.

Bild 9-21 zeigt die einaxiale Druckfestigkeit und dieBruchstauchung in Abhängigkeit von der Konsis -tenzzahl. Die Untersuchungen konnten im Konsis -tenzbereich zwischen 0,9 und 2,3 durchgeführtwerden. Die Bodenproben TL-4 weisen, wie zu er-warten, bei abnehmendem Wassergehalt geringereBruchstauchungen und zunehmende einaxialeDruckfestigkeiten auf. Maximal wurde eine Druck -festigkeit von qu = 1.000 kPa bei einer Konsistenz-zahl des Bodens von 2,3 erreicht. Die versuchs-

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Bild 9-19: Einaxiale Druckfestigkeit (TL-3)

Bild 9-20: Bodenproben nach einaxialem Druckversuch (TL-4)


technisch bestimmte Schrumpfgrenze liegt bei IC =0,55 und damit weit unterhalb der Ausrollgrenze,die nach ATTERBERG bei einer Konsistenzzahlvon 1,0 auftritt. Ab einer Konsistenzzahl von 1,5 istdie Festigkeitszunahme stärker als im Bereich vonIC = 0,9 bis 1,5. Die Schrumpfgrenze der Boden-probe TL-4 liegt bei ws = 19,8 %.

In Bild 9-21 sind ergänzend die an den ungestörtenProben des Bodens TL-1 ermittelten einaxialenDruckfestigkeiten dargestellt. Die an den ungestör-ten Bodenproben ermittelten Werte liegen geringfü-gig oberhalb der einaxialen Druckfestigkeiten deraufbereiteten Bodenproben. In ihrem Verlauf sinddie Beziehungen zwischen der einaxialen Druck -festigkeit und dem Wassergehalt für die aufbereite-ten und ungestörten Bodenproben ähnlich.

9.3.2.5 Zusammenfassung und Bewertung

Alle aufbereiteten Proben zeigen ein Ansteigen derFestigkeit bei abnehmendem Wassergehalt. Dieeinaxiale Druckfestigkeit aller Proben beträgt ander Schrumpfgrenze zwischen 150 und 250 kPa.Dabei ist kein erkennbarer systematischer Unter-schied zwischen den mittelplastischen und denleichplastischen Böden erkennbar. Dies entsprichteiner undrainierten Scherfestigkeit zwischen 75und 125 kPa. Dieser Wert liegt unterhalb der vonWOOD (1999) ermittelten Zusammenhänge zwi-

schen der undrainierten Scherfestigkeit und derKonsistenz des Bodens. So gibt WOOD (1999) füran der Fließgrenze aufbereitete Böden beim Was-sergehalt an der Ausrollgrenze Werte von ca. 200 kPa an. Es ist unklar, inwieweit die Unterschie-de durch unterschiedliche Probenherstellung unddas unterschiedliche Größtkorn beeinflusst werden.Während bei WOOD (1999) die undrainiertenScherfestigkeiten anhand von Indexversuchen miteinem speziellen Kegelfallversuch bestimmt wur-den, wurde in den hier dargestellten Versuchen dieundrainierte Scherfestigkeit aus einaxialen Druck-versuchen abgeleitet.

Außerdem ist festzustellen, dass die Festigkeitender aufbereiteten Bodenproben vor allem bei demBoden mittlerer Plastizität von der Festigkeit desungestörten Bodens deutlich abweichen. Die Unter-schiede sind, wie oben bereits dargestellt, auf dieZerstörung der Bodenstruktur bei der Bodenaufbe-reitung zurückzuführen. Eine Bewertung der Festig-keit wird im Zusammenhang mit der DIN 18300 fürBöden im natürlichen Zustand erforderlich. Bei derDurchführung der einaxialen Druckversuche an un-gestörten Bodenproben muss allerdings angemerktwerden, dass eine Probenherstellung in nahezu 50 % der Fälle nicht möglich bzw. dass Ergebnisseaufgrund bereits gerissener Proben nicht aussage-kräftig waren. Somit wird die einaxiale Druckfestig-keit als Versuch zur Bestimmung der Grenze zwi-

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Bild 9-21: Einaxiale Druckfestigkeit (TL-4)


schen halbfestem und festem bindigem Bodennicht empfohlen. Im weiteren Verlauf der Forschungwurde deutlich, dass ein einfach durchzuführenderVersuch gefunden werden muss, der eine Unter-scheidung von halbfestem und festem bindigemMaterial auf Grundlage der Festigkeit ermöglicht.Dazu wurde der in Kapitel 9.4 dargestellte Versuchentwickelt und getestet.

9.4 Eindringversuche mitProctornadel und Konusspitze

Im Zusammenhang mit Festigkeitsuntersuchungenan Böden wurde bereits in PIETSCH (1996) auf dieAbhängigkeit der Plastizität von der Festigkeit ein-gegangen. In dem Laborbericht wurden Festigkeits-untersuchungen mittels Taschenpenetrometers,einaxialer Druckversuche, Triaxialversuche und La-borflügelsonden durchgeführt. Im Zusammenhangmit der vorliegenden Forschung schien ein Ein-dringversuch zur Bewertung des Bodens sinnvoll,da dieser mit sehr geringem Aufwand bei der An-sprache der Bodenprobe mit durchgeführt werdenkönnte. Bei der Suche nach einer zur Festigkeits-bewertung passenden und aussagekräftigen Geo-metrie wurde auf die Proctornadel zurückgegriffen.Diese fand vor allem in den fünfziger und sechzigerj ahren einen großen Anwenderkreis. Dieser füreinen Einsatz im Feld konzipierte Versuch wurde imRahmen der Forschung abgewandelt und verän-dert, wobei letztlich nur die Geometrie der Proctor-nadel übernommen wurde.

Die Geometrie der Proctornadel (Bild 9-22) wird imFeldversuch je nach Widerstand des Bodens vari-iert. Der Versuch dient zur Verdichtungskontrolle imFeld, wobei der Anwendungsbereich auf feinkörni-ge Böden beschränkt ist.

Für die Laborversuche wurden als eindringenderGegenstand zum einen eine Nadel (Bild 9-23) undzum anderen ein Konus (Bild 9-24) gewählt. DieProctornadel weist einen Durchmesser von 6,38 mm und somit eine Belastungsfläche von 32 mm² auf . Der Konus hat einen Öffnungswinkelvon 20°. Die in den Bildern dargestellten Körperkönnen an einer mechanischen Presse befestigtwerden, womit eine weggesteuerte Versuchsdurch-führung möglich ist.

Die an der Proctornadel angreifenden Kräfte sind inBild 9-25 dargestellt. Ein deutlicher Unterschiedzwischen den beiden Aufsatzspitzen besteht in der

Form und somit auch in der Krafteinleitung der bei-den Körper. Während die Kraftübertragung entlang

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Bild 9-22: Proctornadel, entnommen aus POST et al. (1955)

Bild 9.23: Geometrie Nadel (Abmessungen in mm)

Bild 9.24: Geometrie Konus (Abmessungen in mm)


der Konusspitze sowohl über Spitzendruck als auchMantelreibung erfolgt, kann bei der Proctornadeleine Unterscheidung zwischen Mantelreibung aufden Seitenflächen und einem auf eine konstanteFläche wirkenden Spitzendruck vorgenommen wer-den.

Die Versuchsdurchführung sieht vor, dass die un-gestörte Bodenprobe keine sichtliche Verformungerfährt. Somit muss der eindringende Körper so ge-formt sein, dass die Eindringung nicht maßgebenddurch den Entnahmezylinder, in dem sich die Bo-denprobe befindet, beeinflusst wird. Dies führte zudem relativ kleinen Öffnungswinkel des Konus. Beider Nutzung eines in der Praxis üblichen Öffnungs-winkels von 60° (Kegelfallversuch etc.) wurde voneinem mit zunehmender Eindringtiefe zu weit rei-chendem Grundbruch ausgegangen. In Bild 9-26sind die Proctornadel und die Konusspitze, mitdenen die Versuche durchgeführt wurden, darge-stellt.

9.4.1 Versuchsdurchführung

Der hier dargestellte Versuch wurde im Zusammen-hang mit dieser Forschung ausschließlich an auf-bereiteten Bodenproben durchgeführt. Eine spätereAnwendung in der Laborpraxis sieht allerdings dieAnwendung an ungestörten Bodenproben vor. Esist angedacht, den Versuch an Sonderproben, diesich in einem Ausstechzylinder befinden, vor einemAuspressen der Proben durchzuführen. Um diesberücksichtigen zu können, musste eine aufwändi-ge Probenvorbereitung, wie in Kapitel 9.2 beschrie-ben, vorgenommen werden.

Der eigentliche Versuch startet für die aufbereitetenBodenproben nach dem Herausarbeiten der Probe(siehe Bild 9-5). Für die Böden TM-2, TL-1, TL-3und TL-4 wurden sowohl Konus- als auch Proctor-nadel-Eindringversuche durchgeführt und ausge-wertet. Die oben beschriebenen Spitzen wurden ineine hydraulische Presse eingeschraubt (Bild 9-27). Die Probe stand dabei auf einer Kraftmess-dose. Die Spitze wurde mit konstanter Vorschubge-schwindigkeit von 0,69 mm/min in den Boden ein-gedrückt. Über die darunterliegende Kraftmessdo-se konnte die dabei wirkende Kraft aufgezeichnetwerden und folglich ein Weg-Kraft-Diagramm er-stellt werden.

Die Vortriebsgeschwindigkeit von 0,69 mm/minwurde für alle Proben und alle Wassergehaltegleich gehalten, um eine Vergleichbarkeit zwischenden Versuchsergebnissen zu gewährleisten. Durchdie Wahl dieser geringen Geschwindigkeit sollte dieEntstehung von Porenwasserüberdrücken in derBodenprobe vermieden werden.

Die maximale Eindringtiefe des jeweiligen Eindring-widerstandes wurde auf 2 cm festgelegt. Somit isteine Auswertung der Kraftentwicklung über eineVersuchslänge von 2 cm möglich. Die Versuchs-dauer beträgt pro Eindringwiderstand ca. 30 min.Vor und nach der Versuchsdurchführung wurde derProbekörper gewogen, sodass die Veränderungdes Wassergehaltes im Boden nachvollzogen wer-den konnte.

Bei der Durchführung des Konusversuchs wurdeder Konus auf der Oberseite der im 7 cm hohenAusstechring befindlichen Probe eingedrückt. NachAbschluss des Konusversuchs wurde in die Unter-seite die Proctornadel in gleicher Weise einge-drückt (Proctornadelversuch). Dabei wurden dieSpitzen in der Mitte der Proben angesetzt, sodass

74

Bild 9-25: An der Proctornadel im Versuch angreifende Kräfte

Bild 9-26: Proctornadel und Konus


Randeinflüsse durch den Ausstechzylinder weitest-gehend ausgeschlossen werden konnten.

Um eine mögliche gegenseitige Beeinflussung deran der Ober- und Unterseite des Prüfkörpers durch-geführten Versuche zu überprüfen, wurde in einenProbekörper beidseitig die Konusspitze einge-drückt. Die beiden Versuche ergaben sehr ähnlicheErgebnisse, woraus geschlossen wurde, dass diegegenseitige Beeinflussung vernachlässigbar ist.Die Abmessungen des Ausstechrings (8 cm Durch-messer, 7 cm Höhe) wurden demnach ausreichendgroß gewählt.

Im Folgenden werden die an den in der Tabelle 9-2angegebenen Böden durchgeführten Versuche dar-gestellt und ausgewertet.

9.4.2 Ergebnisse

9.4.2.1 TM-2

In der Tabelle 9-3 sind die Plastizitätsgrenzen desBodens TM-2 angegeben.

Es wurden Eindringversuche mit der Proctornadelund der Konusspitze an vier Bodenproben des TM-2, welche unterschiedliche Wassergehalte zwi-schen 13,7 % und 19,9 % aufwiesen, durchgeführt.Im Bereich der Schrumpfgrenze konnten keine Un-tersuchungen durchgeführt werden, da die Konsis -tenz des Bodens beim Wassergehalt an derSchrumpfgrenze mit IC = 0,68 zu gering war, umeinen Prüfkörper herstellen zu können.

Die Ergebnisse des Eindringversuches mit derProctornadel sind in Bild 9-28 dargestellt. Das Dia-gramm zeigt die bei konstanter Vorschubgeschwin-digkeit der Nadel benötigte Kraft gegenüber demEindringweg. Die Steigung der für verschiedeneWassergehalte dargestellten Kraft-Weg-Beziehungnimmt mit zunehmender Eindringtiefe der Proctor-nadel in den Boden ab. Mit sinkendem Wasserge-halt nimmt der Eindringwiderstand des Bodens zu.

Die Eindringung der Proctornadel in den BodenTM-2 ist in Bild 9-29 ergänzend im halblogarithmi-schen Maßstab dargestellt. Zur Ermittlung einesKennwertes wurde für die Eindringung der Proctor-nadel zwischen 1 cm und 2 cm die Steigung derKurve ermittelt. Die Steigung der Geraden PN lässtsich über Gleichung (9-3) bestimmen:

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Bild 9-27: Versuchsdurchführung, links mit Proctornadel, rechts mit Konusspitze

Tab. 9-2: Übersicht der durchgeführten Eindringversuche

Konusversuch Proctornadelversuch

TM-2 TM-2

TM-4 TM-4

TL-1 TL-1

- TL-3

Tab. 9-3: Bodenkennwerte (TM-2)

wL wp ws

TL-1 37,8 % 21,2 % 25,6 %


mit:

ΔF Differenz der Kräfte bei Eindringung der Proc-tornadel von 1,0 cm und 2,0 cm [N]

s1 = 10 mm Eindringung

s2 = 20 mm EindringungIn Tabelle 9-4 sind die so ermittelten Werte von PNfür die einzelnen Proben des Bodens TM-2 darge-

76

Bild 9-28: Proctornadelversuch (TM-2)

Bild 9-29: Versuchsauswertung Proctornadel halblogarithmische Darstellung (TM-2)

Tab. 9-4: PN-Werte der Proctornadelversuche am Boden (TM-2)

w [%] PN [N]

13,67 89,9

16,01 73,0

19,25 37,8

19,88 40,7


stellt. Ein Anstieg des PN-Wertes deutet auf eineZunahme der Festigkeit des untersuchten Bodenshin.

In Bild 9-30 ist ergänzend der Zusammenhang deraufzubringenden Kraft gegenüber dem Eindring-weg der Konusspitze dargestellt. Der Versuch zeigteine deutliche Abhängigkeit der notwendigen Kraftvom Wassergehalt. Die dargestellten Versuchser-gebnisse laufen mit zunehmender Eindringung indas Bodenmaterial auseinander. Im Vergleich zumEindringversuch mit der Proctornadel nimmt die

Steigung der Kurven mit zunehmender Eindringungzu. Dies liegt an der geometrischen Form der Konusspitze in Form eines Kegels, wodurch dieQuerschnittsfläche des in den Boden eindringen-den Körpers mit zunehmender Eindringtiefe zu-nimmt. Im Falle der Proctornadel dagegen bleibt dieQuerschnittsfläche des in den Boden eindringen-den Körpers auch mit zunehmender Eindringungkonstant.

Die Veränderung der Festigkeit mit zunehmenderKonsistenz des Bodens ist in Bild 9-31 dargestellt.

77

Bild 9-30: Konusversuch (TM-2)

Bild 9-31: Kraft gegenüber Konsistenz für verschiedene Eindringtiefen (TM-2)


Für diese Auswertung wurde die benötigte Kraftzum Eindringen von 1,5 cm und 2,0 cm sowohl derKonusspitze als auch der Proctornadel in Abhän-gigkeit von der Konsistenz ausgewertet. Das Bildzeigt eine deutliche Abhängigkeit der erreichtenKraft von der Konsistenzzahl des Bodens. Der Ein-dringversuch der Proctornadel führt zu größeren zumobilisierenden Kräften bei konstanter Vorschub-geschwindigkeit als bei der Konussspitze. Die Ver-suchsergebnisse konnten sowohl für die Eindrin-gung mit der Proctornadel als auch mit der Konus-spitze mittels einer Geraden gut angenähert wer-den.

9.4.2.2 TM-4

In der Tabelle 9-5 sind die Atterberg’schen Konsis -tenzgrenzen für den Boden TM-4 zusammenge-fasst.

Der Boden TM-4 wurde nur in einem sehr kleinenWassergehaltsbereich untersucht. Da die Probenim Zuge der Herstellung versehentlich nicht ausrei-chend weit heruntergetrocknet wurden, wiesen dieProben bei der Durchführung der EindringversucheWassergehalte oberhalb der Ausroll- undSchrumpfgrenze auf. Daraus ergaben sich ver-gleichsweise geringe Eindringwiderstände.

In Bild 9-32 ist die Eindringkraft der Proctornadelgegenüber dem Eindringweg dargestellt. Der Proc-tornadelversuch wurde bei Wassergehalten zwi-schen w = 20,9 % und w = 28,0 % durchgeführt. DieProben lagen damit in steifer Konsistenz vor. Diemaximalen Kräfte für eine Eindringung von 20 mmsind vergleichsweise gering und liegen zwischen 20 N und 70 N. Die Versuchsergebnisse zeigen,dass mit abnehmendem Wassergehalt die benötig-te Eindringkraft ansteigt. Eine Ausnahme stellendabei die bei einem Wassergehalt von 24,3 % und25,0 % untersuchten Proben dar. So wurden für dieProbe mit einem Wassergehalt von 24,3 % etwasgeringere Eindringkräfte ermittelt. Da die maxima-len Eindringkräfte aufgrund des vergleichsweisehohen Wassergehaltes aber äußerst gering sind, istdie Differenz der maximalen Eindringkräfte der bei-den Proben gering und wird auf Inhomogenitätender Probekörper zurückgeführt.

Für eine vergleichende Bewertung der Proctorna-delversuche zwischen den Böden verschiedenerPlastizitäten wurden die Versuche auch für denBoden TM-4 im halblogarithmischen Maßstab aus-gewertet (siehe Bild 9-33)

Die über Gleichung (9-3) aus Bild 9-33 ausgewer-teten Steigungen bei einer Eindringung der Proc-tornadel zwischen 1,0 cm und 2,0 cm sind in derTabelle 9-6 zusammengefasst. Die Werte PN sindgeringer als die für den Boden TM-2 bestimmtenWerte. Da der Boden TM-4 in dem Bereich der Un-tersuchungen eine steife Konsistenz aufweist, wo-hingegen der Boden TM-2 eine halbfeste bis feste

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Bild 9-32: Proctornadelversuch (TM-4)

Tab. 9-5: Bodenkennwerte (TM-4)

wL wp ws

TM-4 44,9% 17,3 % 15,3 %


Konsistenz besitzt, entspricht diese Beobachtungauch den theoretischen Annahmen. Mit steigen-dem PN-Wert nimmt die Festigkeit des Bodens zu.Eine Ausnahme stellen hierbei wiederum die Pro-

ben mit einem Wassergehalt von 24,3 % und 25,0 % dar.

In Bild 9-34 ist der für die Konusspitze ermittelteZusammenhang zwischen der Eindringkraft unddem Eindringweg dargestellt. Ähnlich wie für denBoden TM-2 nehmen die Eindringkräfte mit zuneh-mendem Eindringweg aufgrund der Kegelform desKonus überproportional zu. Die Eindringkräfte beieinem Eindringweg von 2 cm liegen in einer ähnli-chen Größenordnung wie beim Proctornadelver-such.

79

Bild 9-33: Versuchsauswertung Proctornadel halblogarithmische Darstellung (TM-4)

Bild 9-34: Konusversuch (TM-4)

Tab. 9-6: PN-Werte Proctornadelversuch (TM-4)

w [%] PN [N]

20,86 24,5

25,01 17,0

24,29 12,8

28,00 6,4


Bild 9-35 zeigt den Zusammenhang zwischen derKonsistenzzahl und der Eindringkraft des Bodens.Anders als bei der Probe TM-2 konnte hier nicht ge-zeigt werden, dass die Proctornadel einen größe-ren Eindringwiderstand aufweist als die Konusspit-ze. Vielmehr liegen die mittels Proctornadel gemes-senen Kräfte für einen Eindringweg von 2 cm ineinem ähnlichen Bereich wie die für die Konusspit-ze ermittelten Werte. Dies wird auf die geringe Kon-sistenz der Bodenprobe zurückgeführt. Wie Bild 9-35 zu entnehmen ist, kann die notwendige Kraftzum Eindringen der Spitze in die Probe mit zuneh-mender Konsistenzzahl sowohl beim Proctornadel-versuch als auch beim Konusversuch mit einer Ge-raden angenähert werden.

9.4.2.3 TL-1

In der Tabelle 9-7 sind die Atterberg’schen Konsis -tenzgrenzen für den Boden TL-1 zusammengefasst.

Die Auswertung der Versuchsergebnisse wird ana-log den mittelplastischen Böden durchgeführt. InBild 9-36 sind die Ergebnisse des Proctornadelver-suchs im linearen Maßstab dargestellt. Die Abhän-gigkeit zwischen Wassergehalt und Festigkeit desBodens ist auch hier klar erkennbar.

In Bild 9-37 sind die Versuchsergebnisse des Ein-dringversuchs der Proctornadel im halblogarithmi-schen Maßstab aufgetragen. Für die Bestimmungdes Wertes PN des Proctornadelversuchs bei einer

Eindringung zwischen 1,0 cm und 2,0 cm wurdendie in Tabelle 9-8 dargestellten Steigungen ermit-telt. Der Zusammenhang zwischen Wassergehaltund PN-Wert ist auch hier erkennbar.

In Bild 9-38 ist die benötigte Kraft zum Eindringender Konusspitze gegenüber dem Weg aufgetragen.Die Kraft wächst überproportional zum Eindringwegan. Zur Beschreibung des Verlaufs kann ein Poly-nom 2. Grades gewählt werden.

Der Zusammenhang zwischen der Konsistenz undder zum Eindringen erforderlichen Kraft kann für dieEindringung von 1,5 cm bzw. 2,0 cm aus Bild 9-39abgelesen werden. Für den Boden TL-1 ist eine Ab-hängigkeit der Kraft von der Konsistenzzahl desBodens deutlich erkennbar. In Bild 9-39 wurden so-

80

Bild 9-35: Kraft gegenüber Konsistenz für verschiedene Eindringtiefen (TM-4)

Tab. 9-7: Bodenkennwerte TL-1

wL wp ws

TL-1 27,9 % 16,3 % 19,7 %

Tab. 9-8: PN-Werte Proctornadelversuch (TL-1)

w [%] PN [-]

8,89 87,2

12,31 83,8

19,34 14,5

19,32 14,5

19,40 3,8


wohl die mit der Proctornadel als auch die mit derKonusspitze ermittelten Versuchsergebnisse durcheine Gerade angenähert.

9.4.2.4 TL-3

In der Tabelle 9-9 sind die Atterbergs’chen Konsis -tenzgrenzen für den Boden TL-3 zusammenge-fasst. Für den Boden TL-3 wird in Bild 9-40 und Bild 9-41 der Zusammenhang zwischen Kraft undEindringweg der Proctornadel im linearen und halb-logarithmischen Maßstab dargestellt. Bei einer Ein-dringung der Proctornadel zwischen 1,0 cm und 2,0 cm kann wiederum eine Geradensteigung PN

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Bild 9-36: Proctornadelversuch (TL-1)

Bild 9-37: Versuchsauswertung Proctornadel halblogarithmische Darstellung (TL-1)

Tab. 9-9: Bodenkennwerte (TL-3)

wL wp ws

TL-1 27,9 % 16,9 % 19,3 %

Tab. 9-10: PN-Werte Proctornadelversuch (TL-3)

w [%] PN [-]

10,86 72,8

11,92 69,5

17,62 16,5

17,76 24,0


ermittelt werden, die zur Beschreibung des Bodensherangezogen wird (Tabelle 9-10).

Vermutlich aufgrund von Inhomogenitäten derProbekörper weist die bei einem Wassergehaltvon 17,62 % untersuchte Probe einen etwas gerin-geren PN-Wert als die bei einem Wassergehalt von17,76 % untersuchte Probe auf. Wie die Einringver-suche mit der Proctornadel (Bild 9-40) und der Ko-nusspitze (Bild 9-42) zeigen, wurden für beide Pro-

ben allerdings sehr ähnliche Eindringkräfte ermit-telt. Dies belegt die Reproduzierbarkeit der durch-geführten Versuche.

In Bild 9-42 ist die benötigte Kraft zum Eindringender Konusspitze gegenüber dem Weg aufgetragen.Die Kraft wächst überproportional zum Eindringwegan. Zur Beschreibung des Verlaufs kann ein Poly-nom 2. Grades gewählt werden.

82

Bild 9-38: Konusversuch (TL-1)

Bild 9-39: Kraft gegenüber Konsistenz für verschiedene Eindringtiefen (TL-1)


In Bild 9-43 ist der Zusammenhang zwischen dernotwendigen Kraft zur Eindringung der Proctorna-del bzw. der Konusspitze und der Konsistenzzahldargestellt. Sowohl die Ergebnisse des Proctor -nadelversuches als auch die des Konusversucheswurden mit einer exponentiellen Funktion angenä-hert. Für beide Versuchsarten stellen sich demnach

sehr ähnliche Verläufe ein, wobei sich beim Ver-such mit der Proctornadel bei einer Eindringungvon 1,5 cm deutlich größere Kräfte einstellen alsbeim Konusversuch. Bei der maximalen Eindrin-gung von 2,0 cm dagegen ergeben sich für die Ko-nusspitze und die Proctornadel sehr ähnliche Ein-dringkräfte.

83

Bild 9-40: Proctornadelversuch (TL-3)

Bild 9-41: Versuchsauswertung Proctornadel halblogarithmische Darstellung (TL-3)


9.5 Zusammenfassung undBewertung

In Bild 9-44 sowie Bild 9-45 ist für alle untersuchtenBöden die Kraft, die zur Eindringung einer Procto -nadel (P) bzw. einer Konusspitze (K) von 2 cm inden Boden notwendig ist, gegenüber der Konsis -tenzzahl dargestellt.

Sowohl die Versuche mit der Proctornadel als auchdie Versuche mit der Konusspitze ergeben für alle

Böden einen ähnlichen Verlauf der Beziehung zwi-schen der Eindringkraft und der Konsistenz. Sonimmt die Eindringkraft mit zunehmender Konsis -tenzzahl leicht überproportional zu. AbgesicherteErkenntnisse zum Einfluss der Bodenart auf dieEindringwiderstände sind aus den Untersuchungennicht ableitbar, da nur für die Böden TL-1, TL-3 undTM-2 über den Konsistenzbereich von steif bis festVersuchsergebnisse vorliegen. Der Boden TM-4wurde nur im weichen bis steifen Konsistenzbe-reich untersucht. Die Versuche mit der Proctornadel

84

Bild 9-42: Konusversuch (TL-3)

Bild 9-43: Kraft gegenüber Konsistenz für verschiedene Eindringtiefen (TL-3)


zeigen für den mittelplastischen Boden TM-2 imVergleich zu den leichtplastischen Böden zwaretwas größere Eindringwiderstände; bei den Versu-chen mit der Konusspitze liegen die Werte aller-dings in einer ähnlichen Größenordnung wie für dieleichtplastischen Böden. Um den Einfluss der Plas -tizität zu ermitteln, wären Versuche an weiterenBöden, auch ausgeprägt plastischen Böden, erfor-derlich. Da die Probenherstellung jedoch sehr auf-wändig ist, konnten diese im Rahmen der For-schung nicht durchgeführt werden.

Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass derEinfluss der Konsistenzzahl auf den Eindringwider-stand mit Hilfe der durchgeführten Eindringversu-che sehr gut ermittelt werden kann. Entsprechendden Ergebnissen sind bei einer Konsistenzzahl vonIc = 1,25, die nach KRABBE (1958) etwa derSchrumpfgrenze entspricht, bei der Eindringung miteiner Proctornadel etwa Kräfte zwischen 125 N und250 N und bei einer Eindringung mit der Konusspit-ze etwa zwischen 115 N und 180 N erforderlich.Dabei ist allerdings zu beachten, dass die Versuche

85

Bild 9-44: Zusammenhang zwischen Konsistenzzahl und Kraft für verschiedene Bodenproben (Proctornadel Eindringung 2,0 cm)

Bild 9-45: Zusammenhang zwischen Konsistenzzahl und Kraft für verschiedene Bodenproben (Konusspitze Eindringung 2,0 cm)


an aufbereiteten Böden durchgeführt wurden. Fürungestörte Bodenproben sind deutlich größereWerte zu erwarten.

Des Weiteren haben die Untersuchungen mit derProctornadel gezeigt, dass der Zusammenhangzwischen der Eindringkraft und dem Eindringwegim halblogarithmischen Maßstab in Abhängigkeitvon der Konsistenz zu unterschiedlich steilen Kur-ven führt. Die Neigung der Kurve kann damit als einMaß für die Festigkeit des Bodens herangezogenwerden. Sie lässt sich aus der Differenz der bei derEindringtiefe von s1 und s2 gemessenen Eindring-kräfte ΔF folgendermaßen ermitteln:

Im Rahmen der Untersuchungen wurden dabei fürs1 und s2 Eindringtiefen von 1 cm bzw. 2 cm he -rangezogen.

10 Zusammenfassung undAusblick

Die vorliegende Forschung wurde mit dem Ziel ver-folgt, eine neue Versuchstechnik zu entwickeln,welche die Abgrenzung zwischen halbfesten undfesten bindigen Böden ermöglicht. Die Grenze zwi-schen halbfesten und festen bindigen Böden istüber den Wassergehalt an der Schrumpfgrenze de-finiert. Dieser wird nach DIN 18122-2 bestimmt. DerWassergehalt an der Schrumpfgrenze wird zur Be-stimmung der Bodenklassen nach DIN 18300 he -rangezogen, um die bindigen Bodenarten der Klas-se 4 und 6 bzw. 5 und 6 voneinander abzugrenzen.

Im Zuge des Forschungsvorhabens wurden zu-nächst Untersuchungen zur versuchstechnischenErmittlung der Schrumpfgrenze und zur Aussage-kraft der Schrumpfgrenze im Hinblick auf die Defi-nition des Übergangs zwischen halbfesten und fes -ten bindigen Böden durchgeführt. Hierbei konntegezeigt werden, dass neben versuchstechnischenProblemen bei der Bestimmung des Wassergehal-tes an der Schrumpfgrenze die Vorbelastung desBodens und das in den Laborversuchen zugrundegelegte Größtkorn des Bodens einen signifikantenEinfluss auf den Wassergehalt an der Schrumpf-grenze haben. So nimmt der Wassergehalt an derSchrumpfgrenze mit zunehmender Vorbelastung

und dem damit verbundenen verringerten Porenan-teil des Bodens ab und liegt bei vorbelastetenBöden unterhalb des nach DIN 18122-2 bestimm-ten Wassergehaltes. Der nach DIN 18122-2 an auf-bereiteten Böden bestimmte Wassergehalt an derSchrumpfgrenze kann damit keine allgemeingültigeGrenze zur Unterscheidung zwischen halbfestenund festen Bodenproben darstellen.

Aus dieser Erkenntnis heraus wurden im weiterenVerlauf der Forschung Untersuchungen zu anderenVersuchstechniken im Hinblick auf die Unterschei-dung zwischen den Bodenklassen 4 und 6 bzw. 5und 6 unternommen. Dabei wurden die untersuch-ten Versuchstechniken hinsichtlich ihrer Eignungfür die in der Baupraxis durchzuführende Bau-grunduntersuchung geprüft. Die Untersuchungenzur einaxialen Druckfestigkeit haben gezeigt, dassdieser häufig zur Klassifizierung von Böden ver-wendete Versuch für Böden in halbfester und festerKonsistenz nur bedingt geeignet ist, da die Herstel-lung der Prüfkörper bei den entsprechenden Was-sergehalten häufig nicht möglich ist.

Im Zuge des Forschungsvorhabens wurde darausfolgend ein neues Versuchskonzept entwickelt, daseine Beurteilung einer Probe mittels eines Eindring-versuches erlaubt. Hierbei wurden zwei geome-trisch unterschiedlich geformte Körper, eine Proc-tornadel und eine Konusspitze, in eine zylindrische,seitlich eingespannte Bodenprobe (Ausstechzylin-der bzw. Sonderprobe) eingedrückt. Die Eindring-geschwindigkeit sowie die Eindringtiefe der Proc-tornadel bzw. der Konusspitze wurden für alledurchgeführten Versuche konstant gehalten. Umdie Versuchstechnik beurteilen zu können und se-kundäre Einflüsse so gering wie möglich zu halten,wurden die Untersuchungen an aufbereiteten Bo-denproben bei unterschiedlichen Wassergehaltendurchgeführt, sodass der Eindringwiderstand derProctornadel bzw. der Konusspitze in Abhängigkeitvon der Konsistenz der Proben dargestellt werdenkonnte.

Zur Bewertung der Festigkeit der Bodenprobenwurde für die Eindringversuche mit der Proctorna-del die Steigung des Verhältnisses aus Kraft undlogarithmisch aufgetragenem Eindringweg heran-gezogen. Zur Auswertung wurde dabei ein Ein-dringweg zwischen s = 1 cm und s = 2 cm betrach-tet. Die Steigung der Kraft-Weg-Beziehungen indiesem Bereich wurde mit PN bezeichnet und fürleicht- und mittelplastische Bodenproben bei unter-schiedlichen Konsistenzen ermittelt.

86


Mit der Darstellung dieses Bewertungsverfahrensschließt die vorliegende Forschungsarbeit ab. ZurUnterscheidung der Bodenklassen 4, 5 und 6 derDIN 18300 mit Hilfe der vorgestellten Versuchs-technik sind weitere Untersuchungen erforderlich.

Als Ausblick sollten die in der Forschungsarbeit dar-gestellten Zusammenhänge zwischen der Eindring-kraft und dem Eindringweg für die Proctornadel unddie Konusspitze an ungestörten Bodenproben, wiesie bei realen Baumaßnahmen auftreten, im Zugeeines weiteren Forschungsvorhabens untersuchtwerden. Damit sollten die Anwendungsgrenzen desVersuches ermittelt und die Versuchsdurchführungsowie -technik unter Berücksichtigung unterschied-licher Bodenarten optimiert werden.

Darauf aufbauend sollten anhand weiterer Reihen-untersuchungen an diversen, für verschiedene geo-logische Verhältnisse in Deutschland charakteris -tischen Böden Kriterien zur Abgrenzung der einzel-nen Bodenklassen anhand der Eindringkraft bzw.des Steigungswertes PN festgelegt werden.

Im Hinblick auf die Umsetzung der Erkenntnisse inder Normung sollte geprüft werden, inwieweit dieBauindustrie bereits spezielle Geräteparameter imHinblick auf die Lösbarkeit von Boden und Fels ver-wendet und bei der Kalkulation nach DIN 18300heranzieht. Sofern möglich, sollen die Erfahrungs-werte der Bauindustrie mit den neu festzulegendenZuordnungswerten gekoppelt werden.

Da im Zuge der europäischen Harmonisierungauch die für Erdarbeiten relevanten Normen ge-genwärtig bearbeitet werden, kann die Umsetzungder Ergebnisse in die Normung nur in enger Ab-stimmung mit dem die DIN 18300 bearbeitendenAusschuss und den Mitgliedern der an der Erstel-lung einer europäischen Norm mitwirkenden Ar-beitsgruppe des TC 396 geschehen.

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WITT, K. j .; ZEH, R. M. (2004): Maßnahmen gegenTrockenrisse in mineralischen Abdichtungen,Vertieferseminar Zeitgemäße Deponietechnik2004, FEI, Universität Stuttgart

WOOD, D. M. (1999): Soil Behaviour and CriticalState Soil Mechanics, Cambridge UniversityPress, Cambridge, New york, 1990

ZEH, R. (2007): Die Zugfestigkeit bindiger Bödenals Kriterium der Rissgefährdung mineralischerOberflächenabdichtungen, Dissertation, Bau-haus-Universität Weimar, 2007

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Normen

DIN 4020:2003-09: Geotechnische Untersuchun-gen für bautechnische Zwecke – Anwendungs-hilfen, Erklärungen

DIN 4022-1:1987-09: Baugrund und Grundwasser;Benennen und Beschreiben von Boden undFels; Schichtenverzeichnis für Bohrungen ohnedurchgehende Gewinnung von gekernten Pro-ben im Boden und im Fels

DIN 4220:2008-11: Bodenkundliche Standortbeur-teilung – Kennzeichnung, Klassifizierung undAbleitung von Bodenkennwerten

DIN 14688-1:2011: Geotechnische Erkundung undUntersuchung – Benennung, Beschreibung undKlassifizierung von Boden – Teil 1: Benennungund Beschreibung

DIN 14688-2:2011: Geotechnische Erkundung undUntersuchung – Benennung, Beschreibung undKlassifizierung von Boden – Teil 2: Grundlagenfür Bodenklassifizierungen

DIN 14689-1:2011: Geotechnische Erkundung undUntersuchung – Benennung, Beschreibung undKlassifizierung von Fels – Teil 1: Benennung undBeschreibung

DIN 18122-1:1997-07: Baugrund – Untersuchungvon Bodenproben – Zustandsgrenzen (Konsis -tenzgrenzen) – Teil 1: Bestimmung der Fließ-und Ausrollgrenze

DIN 18122-2:2000-09: Baugrund – Untersuchungvon Bodenproben – Zustandsgrenzen (Konsis -tenzgrenzen) – Teil 2: Bestimmung derSchrumpfgrenze

DIN 18123:2011-04: Baugrund – Untersuchung vonBodenproben – Bestimmung der Korngrößen-verteilung

DIN 18124:1997-07: Baugrund – Untersuchung vonBodenproben – Bestimmung der Korndichte –Kapillarpyknometer, Weithalspyknometer, Gas-pyknometer

DIN 18125-1:2010-07: Baugrund – Untersuchungvon Bodenproben – Bestimmung der Dichte desBodens – Teil 1: Laborversuche

DIN 18132:1995-12: Baugrund – Versuche undVersuchsgeräte – Bestimmung des Wasserauf-nahmevermögens

DIN 18135:1999-06: Baugrund – Untersuchung vonBodenproben – Eindimensionaler Kompres -sionsversuch

DIN 18136:2003-11: Baugrund – Untersuchung vonBodenproben – Einaxialer Druckversuch

DIN 18196:2011: Erd- und Grundbau – Bodenklas-sifikation für bautechnische Zwecke

DIN 18300:2010-04: VOB – Vergabe- und Ver-tragsordnung für Bauleistungen – Teil C: Allge-meine Technische Vertragsbedingungen fürBauleis tungen (ATV) – Erdarbeiten

DIN 18301:2010-04: VOB – Vergabe- und Ver-tragsordnung für Bauleistungen – Teil C: Allge-meine Technische Vertragsbedingungen fürBauleis tungen (ATV) – Bohrarbeiten

DIN 18303:2010-04: VOB – Vergabe- und Ver-tragsordnung für Bauleistungen – Teil C: Allge-meine Technische Vertragsbedingungen fürBauleis tungen (ATV) – Verbauarbeiten

DIN 18303:2010-04: VOB – Vergabe- und Ver-tragsordnung für Bauleistungen – Teil C: Allge-meine Technische Vertragsbedingungen fürBauleis tungen (ATV) – Ramm-, Rüttel- undPressarbeiten

DIN 18305:2010-04: VOB – Vergabe- und Ver-tragsordnung für Bauleistungen – Teil C: Allge-meine Technische Vertragsbedingungen fürBauleis tungen (ATV) – Wasserhaltungsarbeiten

DIN 18308:2010-04: VOB – Vergabe- und Vertrags-ordnung für Bauleistungen – Teil C: AllgemeineTechnische Vertragsbedingungen für Bauleis -tungen (ATV) – Drän- und Versickerarbeiten

DIN 18309:2010-04: VOB – Vergabe- und Vertrags-ordnung für Bauleistungen – Teil C: AllgemeineTechnische Vertragsbedingungen für Bauleis -tungen (ATV) – Einpressarbeiten

DIN 18311:2010-04: VOB – Vergabe- und Vertrags-ordnung für Bauleistungen – Teil C: AllgemeineTechnische Vertragsbedingungen für Bauleis -tungen (ATV) – Nassbaggerarbeiten

DIN 18312:2010-04: VOB – Vergabe- und Vertrags-ordnung für Bauleistungen – Teil C: AllgemeineTechnische Vertragsbedingungen für Bauleis -tungen (ATV) – Untertagebauarbeiten

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DIN 18313:2010-04: VOB – Vergabe- und Vertrags-ordnung für Bauleistungen – Teil C: AllgemeineTechnische Vertragsbedingungen für Bauleis -tungen (ATV) – Schlitzwandarbeiten mit stützen-den Flüssigkeiten

DIN 18319:2010-04: VOB – Vergabe- und Vertrags-ordnung für Bauleistungen – Teil C: AllgemeineTechnische Vertragsbedingungen für Bauleis -tungen (ATV) – Rohrvortriebsarbeiten

DIN 18320:2010-04: VOB – Vergabe- und Vertrags-ordnung für Bauleistungen – Teil C: AllgemeineTechnische Vertragsbedingungen für Bauleis -tungen (ATV) – Landschaftsbauarbeiten

DIN 18321:2010-04: VOB – Vergabe- und Vertrags-ordnung für Bauleistungen – Teil C: AllgemeineTechnische Vertragsbedingungen für Bauleis -tungen (ATV) – Düsenstrahlarbeiten

DIN 18915:2002: Vegetationstechnik im Land-schaftsbau – Bodenarbeiten

DIN 19682-5:2007-04: Bodenbeschaffenheit –Felduntersuchungen – Teil 5: Bestimmung desFeuchtezustands des Bodens

DIN 66133:1993-06: Bestimmung der Porenvolu-menverteilung und der spezifischen Oberflächevon Feststoffen durch Quecksilberintrusion

ÖNORM B 2205: 2000-07: Erdarbeiten – Werkver-tragsnorm

BS 1377:1-1990: Methods of test for soils for civilengineering purposes. General requirementsand sample preparation

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Schriftenreihe

Berichte der Bundesanstaltfür Straßenwesen

Unterreihe „Straßenbau“

2001S 22: 3. Bund-Länder-Erfahrungsaustausch zur systematischen Straßenerhaltung – Nutzen der systematischen Straßenerhaltung 19,50

S 23: Prüfen von Gesteinskörnungen für das BauwesenBallmann, Collins, Delalande, Mishellany, v. d. Elshout, Sym 10,50

2002S 24: Bauverfahren beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund - Konsolidationsverfahren -Teil 1: Vergleichende Betrachtung von Konsolidationsverfahren beim Straßenbau auf wenig tragfähigem UntergrundTeil 2: Erfahrungsberichte über ausgeführte Straßenbauprojekte auf wenig tragfähigem Untergrund unter Verwendung von Konsolida-tionsverfahrenKoch 17,50

S 25: 37. Erfahrungsaustausch über Erdarbeiten im Straßenbau 16,50

2003S 26: Bauverfahren beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Unter-grund - Aufgeständerte GründungspolsterRogner, Stelter 14,00

S 27: Neue Methoden für die Mustergleichheitsprüfung von Markierungsstoffen – Neuentwicklung im Rahmen der Einführung der ZTV-M 02Killing, Hirsch, Boubaker, Krotmann 11,50

S 28: Rechtsfragen der Bundesauftragsverwaltung bei Bundes-fernstraßen – Referate eines Forschungsseminars der Universität des Saarlandes und des Arbeitsausschusses „Straßenrecht“ am 25./26. September 2000 in Saarbrücken 13,00

S 29: Nichtverkehrliche Straßennutzung – Referate eines For-schungsseminars der Universität des Saarlandes und des Arbeits-ausschusses „Straßenrecht“ am 24./25. September 2001 in Saar-brücken 13,50

2004S 30: 4. Bund-Länder-Erfahrungsaustausch zur systematischen Straßenerhaltung – Workshop Straßenerhaltung mit System – 19,50

S 31: Arbeitsanleitung für den Einsatz des Georadars zur Gewin-nung von Bestandsdaten des Fahrbahnaufbaues

Golkowski 13,50

S 32: Straßenbaufinanzierung und -verwaltung in neuen Formen – Referate eines Forschungsseminars der Universität des Saar-landes und des Arbeitsausschusses „Straßenrecht“ am 23. und 24. September 2002 in Saarbrücken 13,50


S 34: Untersuchungen zum Einsatz von EPS-Hartschaumstoffen beim Bau von StraßendämmenHillmann, Koch, Wolf 14,00

2005S 35: Bauverfahren beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Unter-grund – BodenersatzverfahrenGrundhoff, Kahl 17,50

S 36: Umsetzung und Vollzug von EG-Richtlinien im Straßenrecht – Referate eines Forschungsseminars der Universität des Saar-landes und des Arbeitsausschusses „Straßenrecht“ am 22. und 23. September 2003 in Saarbrücken 13,50

S 37: Verbundprojekt „Leiser Straßenverkehr – Reduzierte Reifen-Fahrbahn-Geräusche“Projektgruppe „Leiser Straßenverkehr“ 16,50

2006S 38: Beschleunigung und Verzögerung im Straßenbau – Referate eines Forschungsseminars der Universität des Saarlandes und des Arbeitsausschusses „Straßenrecht“ der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen am 27./28. September 2004 in Saarbrücken 16,50

S 39: Optimierung des Triaxialversuchs zur Bewertung des Ver-formungswiderstandes von AsphaltRenken, Büchler 16,00


S 41: Chemische Veränderungen von Geotextilien unter Boden-kontakt – Untersuchungen von ausgegrabenen ProbenSchröder 13,50

S 42: Veränderung von PmB nach Alterung mit dem RTFOT- und RFT-Verfahren – Veränderungen der Eigenschaften von polymer-modifizierten Bitumen nach Alterung mit dem RTFOT- und RFT-Verfahren und nach Rückgewinnung aus AsphaltWörner, Metz 17,50

S 43: Eignung frostempfindlicher Böden für die Behandlung mit KalkKrajewski, Kuhl 14,00

S 44: 30 Jahre Erfahrungen mit Straßen auf wenig tragfähigem UntergrundBürger, Blosfeld, Blume, Hillmann 21,50

2007S 45: Stoffmodelle zur Voraussage des Verformungswiderstan- des und Ermüdungsverhaltens von AsphaltbefestigungenLeutner, Lorenzl, Schmoeckel,Donath, Bald, Grätz, Riedl, Möller, Oeser, Wellner, Werkmeister, Leykauf, Simon 21,00

S 46: Analyse vorliegender messtechnischer Zustandsdaten und Erweiterung der Bewertungsparameter für InnerortsstraßenSteinauer, Ueckermann, Maerschalk 21,00

S 47: Rahmenbedingungen für DSR-Messungen an BitumenDieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Hase, Oelkers 24,50

S 48: Verdichtbarkeit von Asphaltmischgut unter Einsatz des Walzsektor-VerdichtungsgerätesDieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Wörner, Bönisch, Schmalz, Bösel 15,50

2008S 49: Zweischichtiger offenporiger Asphalt in Kompaktbau-weiseRipke 12,50

S 50: Finanzierung des Fernstraßenbaus – Referate eines For-schungsseminars des Arbeitsausschusses "Straßenrecht" der FGSV am 25./26. September 2006 in Tecklenburg-Leeden 15,50

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S 51: Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Bestimmung der Haftfestigkeit von StraßenmarkierungsfolienDieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Killing, Hirsch 14,50

S 52: Statistische Analyse der Bitumenqualität aufgrund von Erhebungen in den Jahren 2000 bis 2005Dieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Hirsch 16,00

S 53: Straßenrecht und Föderalismus – Referate eines For-schungsseminars des Arbeitskreises "Straßenrecht" am 24./ 25. September 2007 in Bonn 15,50

S 54: Entwicklung langlebiger dünner Deckschichten aus BetonSilwa, Roßbach, Wenzl 12,50

S 55: Dicke Betondecke auf Schichten ohne Bindemittel (SoB/STSuB)Leykauf, Birmann, Weller 13,50

2009S 56: Vergangenheit und Zukunft der deutschen Straßenverwaltung – Referate eines Forschungsseminars des Arbeitskreises "Straßen-recht" am 22./23. September 2008 in Bonn 14,00

S 57: Vergleichende Untersuchung zweischichtiger offenporiger AsphaltbauweisenRipke 13,50

S 58: Entwicklung und Untersuchung von langlebigen Deck-schichten aus AsphaltLudwig 15,50

S 59: Bestimmung des adhäsiven Potentials von Bitumen und Gesteinsoberflächen mit Hilfe der KontaktwinkelmessmethodeHirsch, Friemel-Göttlich 16,00

2010S 60: Die Zukunftsfähigkeit der Planfeststellung – Referate eines Forschungsseminars des Arbeitskreises "Straßenrecht" am 21./22. September 2009 in Bonn 15,50

S 61: Modell zur straßenbautechnischen Analyse der durch den Schwerverkehr induzierten Beanspruchung des BAB-NetzesWolf, Fielenbach 16,50


S 63: Vergleichsuntersuchungen zum Frosthebungsversuch an kalkbehandelten Böden, RC-Baustoffen und industriellen Neben-produktenBlume 16,00

S 64: Griffigkeitsprognose an offenporigen Asphalten (OPA) Teil 1: Bestandsaufnahme an vorhandenen StreckenDieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Rohleder, Kunz, Wasser, Pullwitt, Müller, Ripke, Zöller, Pöppel-Decker 23,00

S 65: Untersuchungen von Dübellagen zur Optimierung des BetondeckenbausFreudenstein, Birmann 14,00

2011S 66: Qualitätssicherung von WaschbetonoberflächenBreitenbücher, Youn 14,50

S 67: Weiterentwicklung der automatisierten Merkmalserkennung im Rahmen des TP3Dieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Rohleder, Kunz, Wasser, Pullwitt, Müller, Canzler, Winkler 16,50

S 68: Lärmmindernder SplittmastixasphaltDieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann unter http:// bast.opus.hbz-nrw.de heruntergeladen werden.Ripke

S 69: Untersuchung der Messunsicherheit und der Klassifizie-rungsfähigkeit von StraßenbelägenMüller, Wasser, Germann, Kley 14,50

S 70: Erprobungsstrecke mit Tragschichten ohne Bindemittel aus ziegelreichen RC-BaustoffenDieser Bericht liegt außerdem in digitaler Form vor und kann unter http:// bast.opus.hbz-nrw.de heruntergeladen werden.Jansen, Kurz 16,00

S 71: Enteignung für den Straßenbau – Verfahrensvereinheit-lichung – Privatisierung, Referate eines Forschungsseminars des Arbeitskreises "Straßen-recht" am 20./21. September 2010 in Bonn 15,00

S 72: Griffigkeitsprognose an offenporigen Asphalten - Teil 2: Neue BaumaßnahmenJansen, Pöppel-Decker 15,00

S 73: Längsebenheitsauswerteverfahren "Bewertetes Längsprofil"–Weiterentwicklung der Längsebenheitsbewertung der Zustands-erfassung und -bewertungMaerschalk, Ueckermann, Heller 18,50

2012S 74: Verbundprojekt "Leiser Straßenverkehr 2" – Reduzierte Reifen-Fahrbahn-Geräusche Projektgruppe "Leiser Straßenverkehr 2" 30,50

S 75: Abschätzung der Risiken von Hang- und Böschungsrut-schungen durch die Zunahme von ExtremwetterereignissenKrauter, Kumerics, Feuerbach, Lauterbach 15,50

S 76: 42. Erfahrungsaustausch über Erdarbeiten im StraßenbauMaerschalk, Ueckermann, Heller 18,50

S 77: Netzplanung – Netzbildung – Netzbereinigung Durner 16,50

S 78: Untersuchung des Einflusses der Grobtextur auf Mess-ergebnisse mit dem SKM-VerfahrenBürckert, Gauterin, Unrau 16,50

2013S 79: Gussasphalt ohne Abstreuung Ripke 9,00

S 80: Entwicklung einer neuen Versuchstechnik zur Bestimmung der Grenze zwischen halbfestem und festem Boden Vogt, Birle, Heyer, Etz 17,50

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Alle Berichte sind zu beziehen durch:

Carl Schünemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 7D-28195 BremenTelefon: (04 21) 3 69 03 - 53Telefax: (04 21) 3 69 03 - 48www.schuenemann-verlag.de

Dort ist auch ein Komplettverzeichnis erhältlich.

Documents

Entwicklung einer neuen Versuchstechnik zur Bestimmung der ... · unconfined compression test can not be recommended to classify natural undisturbed soil samples according to DIN